POSGRADO · 2018-10-26 · Figura 1.18 Generación curvas del panel fotovoltaico por carga electrónica. 45 Figura 1.19 Sistema de caracterización de paneles fotovoltaicos. 47 Figura

POSGRADO

“Modelado y caracterización de panelesfotovoltaicos”

Tésis que como requisito para obtener el Grado deMaestro en Energías Renovables Presenta:

Roberto Herrera Salcedo

Director de Tésis:Dr. José Alberto Duarte Moller.

Chihuahua, Chih., Mayo del 2013

CENTRO DE INVESTIGACIÓN ENMATERIALES AVANZADOS,S.C.

ii

Agradecimiento

A Dios

Gracias padre por tu luz y Amor

A mis Madre y mi Padres

Por todo el gran apoyo y amor incondicional.

A mis Hermanos

Por su apoyo y afecto.

A mis amigos

David Ricardo López Flores, Jesús René Guzmán Sánchez,

Por ser los mejores compañeros que he tenido en mi vida.

Al Ing. José Antonio Pineda G.

Por depositar su confianza en mi.

A mis padres

Gracias por su sabiduría y profundo amor,

sólo les puedo decir que los amo,

y que este logro no es mió sino nuestro.

iii

ÍNDICEÍNDICE iv

ÍNDICE DE FIGURAS v

ÍNDICE DE TABLAS ix

RESUMEN 1

INTRODUCCIÓN 2

HIPÓTESIS 6

OBJETIVO GENERAL 7

OBJETIVOS PARTICULARES 7

I MATERIALES Y MÉTODOS 81.1 Disponibilidad de Energía solar 8

1.1.1 Trayectorias solares 81.1.2 Ecuaciones de tiempo 121.1.3 Radiación solar diaria 131.1.4 Estimación del promedio mensual irradiación promedio

mensual sobre plano inclinado14

1.2 Caracterización de la celdas fotovoltaica 181.2.1 Circuitos Equivalentes 221.2.2 Modelo teórico de Shockley para la celda fotovoltaica 231.2.3 Punto de máxima potencia MPPT 261.2.4 Curvas características 281.2.5 Factor de llenado y eficiencia 29

1.3 Métodos de simulación de curvas características de panelesfotovoltaicos

31

1.3.1 Simulación de curvas características de FV en Matlab Simulink 321.3.2 Simulación de curvas características de FV en LabView 36

1.4 Método de generación curvas I-V y P-V en paneles fotovoltaicos 401.4.1 Modelo de extrapolación bajo STC 401.4.2 Medida de la curva I-V mediante carga capacitiva 411.4.3 Medida de la curva I-V con carga electrónica 44

II RESULTADOS Y DISCUSIONES 502.1 Resultados del estudio de disponibilidad solar 502.2 Resultados del estudio de simulación de curvas características de

paneles fotovoltaicos67

2.3 Resultados del estudio de generación de curvas características depaneles fotovoltaicos

72

III CONCLUSIONES 75

iv

BIBLIOGRAFÍA 76

ÍNDICE DE FIGURAS

INTRODUCCIÓNFigura 1 Escenario mundial para la generación de electricidad para las

energías renovable3

Figura 2 Radiación global media diaria en Kwh/m2 3Figura 3 Panel de control en LabView - Matscrip del sistema de

simulación de paneles fotovoltaicos5

I MATERIALES Y MÉTODOSFigura 1.1 Puntos de orientación por geometría solar para un panel

fotovoltaico.8

Figura 1.2 Representación gráfica de la ecuación de tiempo 12Figura 1.3 Husos horarios distribución zonas de tiempo mundial 13Figura 1.4 Radiación solar global diaria distribuida en 0 hrs. a 24 hrs. en

la ciudad de Chihuahua.14

Figura 1.5 Estructura de banda para dos semiconductores cristalinos 19Figura 1.6 Espectro de la luz solar y eficiencia cuántica de los

semiconductores20

Figura 1.7 Eficiencia de las celdas solares actuales 21Figura 1.8 Circuito equivalente simplificado de celda solar 22Figura 1.9 Punto de máxima potencia para la celda fotovoltaica 26Figura 1.10 Curvas características I-V y P-V de una celda fotovoltaica. 28Figura 1.11 Efectos de la temperatura e irradiancia en una celda

fotovoltaica.28

Figura 1.12 Curvas característica celda solar Factor de llenado 29Figura 1.13 Diagrama de flujo de Simulación de curvas características FV

en Matlab Simulink.35

Figura 1.14 Diagrama de flujo de Simulación de curvas características FVen LabView.

38

Figura 1.15 Validación de los datos de simulación contra PSIM 39Figura 1.16 Curvas generadas para un panel fotovoltaico por carga

capacitiva42

Figura 1.17 Generación curvas del panel fotovoltaico por carga capacitiva 42Figura 1.18 Generación curvas del panel fotovoltaico por carga electrónica. 45Figura 1.19 Sistema de caracterización de paneles fotovoltaicos. 47Figura 1.20 Circuito de carga electrónica con Mosfet´s en paralelo 48Figura 1.21 Circuito adaptador de corriente para el sensor ACS715 48Figura 1.22 Conexiones de la tarjeta NIDAQ USB 6008 48

v

Figura 1.23 Tablilla de control dsPic30F2020 49

II RESULTADOS Y DISCUSIÓNFigura 2.1 Radiación solar global diaria distribuida en 0 hrs. a 24 hrs. para

la ciudad de Chihuahua51

Figura 2.2 Radiación solar global diaria para la ciudad de Chihuahua,Chih. 62Figura 2.3 Radiación solar global diaria para los planos inclinaciones

S1,S2 y S3 de la ciudad de Chihuahua,Chih.62

Figura 2.4 Parametros solares de la ciudad de Chihuahua,Chih. 63Figura 2.5 Horas de insolacion para los diferentes planos inclinados de la

ciudad de Chihuahua, Chih.63

Figura 2.6 Componentes de la irradiación solar en el plano horizontal de laciudad de Chihuahua,Chih.

64

Figura 2.7 Componentes de la irradiación solar para el plano inclinado S1. 64Figura 2.8 Componentes de la irradiación solar para el plano inclinado S2. 64Figura 2.9 Componentes de la irradiación solar para el plano inclinado S3. 65Figura 2.10 Diagrama de bloques under mask en Simulink de una celda

básica fotovoltaica67

Figura 2.11 Diagrama de bloques en Simulink de una celda básicafotovoltaica

67

Figura 2.12 Interfaz de parametrización diseñado 68Figura 2.13 Curvas I-V y P-V características para un panel de 80 w 68Figura 2.14 Parametrización del sistema de modelado de curvas

características FV69

Figura 2.15 Sistema under mask dentro de la función PV_PANEL Function 69Figura 2.16 Curvas características del sistema de modelado FV 70Figura 2.17 Programa Matscrip exportado a LabView 70Figura 2.18 Panel de control del sistema de simulación de paneles FV 71Figura 2.19 Sistema PSIM para comprobación por medio del Solar Module 71Figura 2.20 Ciclo de trabajo 3% a 10% del generador de curvas

características FV72

Figura 2.21 Ciclo de trabajo 70% a 90% del generador de curvascaracterísticas FV.

72

Figura 2.22 Gráficas generadas en el sistema HMI LabViewcorrespondientes al modulo Yingli solar 80 w

73

Figura 2.23 Gráfica del punto de Máxima potencia encontrado MPPT 73Figura 2.24 Sistema de generación prototipo de curvas características FV 74

vi

ÍNDICE DE TABLASI MATERIALES Y MÉTODOS

Tabla 1.1 Capacidad instalada en operación y en construcción para lageneración de energías renovales 2012 en México

4

Tabla 1.2 Datos de la Nasa Atmospheric Science Data Center , para lalocalidad de Chihuahua

14

Tabla 1.3 Saltos energéticos Eg de algunos semiconductores 19Tabla 1.4 Características de algunos tipos de celdas solares bajo

condiciones STC.20

Tabla 1.5 Eficiencia y Factor de forma para algunos tipos de celdassolares

30

Tabla 1.6 Parámetros eléctricos del Panel Yingli solar 80 W 31Tabla 1.7 Parámetros de coeficientes de temperatura 31

II RESULTADOS Y DISCUSIONESTabla 2.1 Datos generales de radiación y posición global del la ciudad

de Chihuahua9

Tabla 2.2 Datos de geometría solar declinacion solar máxima y minima 51Tabla 2.3 Datos de geometría solar declinacion mensual 52Tabla 2.4 Datos de geometría solar altura solar máxima y minima 52Tabla 2.5 Datos de geometría solar altura solar mensual 52Tabla 2.6 Datos de geometría solar ángulo horario mensual 53Tabla 2.7 Datos de geometría solar ángulo horario mensual 53Tabla 2.8 Datos de geometría solar insolacion para le plano horizontal

mensual.54

Tabla 2.9 Datos de geometría solar ángulo horario planos inclinadosS1,S2 y S3 mensual

54

Tabla 2.10 Datos de geometría solar obtenidas de NASA Surfacemeteorology and Solar Energy

55

Tabla 2.11 Datos de geometría solar radiación radiación extraterrestre enel plano horizontal mensual.

55

Tabla 2.12 Datos de geometría solar Factor de claridad Kt mensual 56Tabla 2.13 Datos de geometría solar relación de radiacion difusa contra

radiacion global promedio mensual56

Tabla 2.14 14 Datos de geometría solar relación Rb para las tresinclinaciones S1,S2 y S3 mensual.

57

Tabla 2.15 Datos de geometría solar relación Rd para las tres inclinacionesS1,S2 y S3 mensual.

57

vii

Tabla 2.16 Datos de geometría solar relación Rp para las tres inclinacionesS1,S2 y S3 mensual.

58

Tabla 2.17 Datos de geometría solar relación R para las tres inclinacionesS1,S2 y S3 mensual

58

Tabla 2.18 Datos de geometría solar radiacion difusa mensual 59Tabla 2.19 Datos de geometría solar radiacion directa mensual 59Tabla 2.20 Datos de geometría solar radiacion directa mensual 60Tabla 2.21 Datos de geometría solar radiacion difusa en el plano inclinado

Hd,I,d Para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 mensual60

Tabla 2.22 Datos de geometría solar radiación reflejada por el suelo haciael plano inclinado para las tres inclinaciones S1,S2 y S3mensual

61

Tabla 2.23 Datos de geometría solar radiacion global en el plano inclinadoHd,I,d Para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 mensual

61

Tabla 2.24 Datos de geometría para las horas de sol totales al año 65Tabla 2.25 Resultados del analisis de disponibilidad solar de las tres

radiaciones reflejada global y mensual en Chihuahua, Chih.66

Tabla 2.26 Características para un panel Yingli Solar de 80 w 36 celdas. 68

1

RESUMEN

La importancia de la generación de energía eléctrica suministrada por sistemasfotovoltaicos es un tema de prioridad a nivel mundial. El crecimiento en lasdemanda de instalaciones fotovoltaicas para 2012 es uno de los más altos en elámbito de las energías renovables y esta tendencia se espera que continúe en lospróximos años. Por lo tanto, un número cada vez mayor de nuevos componentes ysistemas fotovoltaicos (FV), principalmente módulos FV, reguladores e inversores,están emergiendo en el mercado FV, por lo tanto la necesidad de caracterizardichos sistemas se ha convertido en un aspecto fundamental en la comprobaciónde sus parámetros funcionales. El análisis de una celda solar, módulo o conjuntode módulos (arreglos), se enfocan en las curvas voltaje-corriente (característica I-V) y voltaje-potencia (característica P-V). Esta investigación aplicada utiliza elmodelo matemático basado en la ecuación de Shockley de la celda fotovoltaico,para estimar el comportamiento bajo condiciones de irradiancia y temperaturavariables en un programa de instrumentación virtual, demostrando las curvas devoltaje contra corriente de la celda fotovoltaica, se utilizan dos plataforma demodelado matemático Matlab - Simulink y LabView, resultando la simulación depaneles fotovoltaicos bajo condiciones de pruebas estándar de laboratorio, ycondiciones de operaciones de trabajo bajo temperaturas e irradiancia variables.El modelo se comprueba en laboratorio con una tarjeta de potencia que sirve

como carga variables a los paneles fotovoltaicos, el barridos de señal se manejapor una interfaz virtual en LabVIEW y un controlador DSPic30f2020, permitiendovisualizar y comprobar experimentalmente las curvas caracterizar de operación depanel fotovoltaico para distintas marcas comerciales.

2

INTRODUCCIÓN

Una quinta parte de la población a nivel mundial no tiene acceso a una fuente deelectricidad confiable. Este hecho reduce sus posibilidades de recibir unaeducación adecuada y ganarse la vida. A medida que el precio de la energíaaumenta, los pobres del mundo seguirán siendo excluidos. Combustibles fósilesfinitos y cada vez más caros no son la respuesta para países en desarrollo. Lasfuentes de energía renovable ofrecen el potencial para transformar la calidad devida y mejorar las perspectivas económicas de miles de millones de personas.(WWF Informe de la ER 2011). En 2010, de acuerdo con la Agencia Internacionalde Energía, la oferta total de energía primaria en el mundo fue de 12,717 millonesde toneladas equivalentes de petróleo, de las cuales se produjo el 13.0% a partirde fuentes renovables de energía (SENER ,2012). Una de las fuentes de energíasrenovables más abundante es la solar, se estima que el planeta recibe cerca de174,423 TW de potencia instantánea (AIE, 2009). En 2011, la capacidad totalinstalada para la generación de energía eléctrica con energías renovables alcanzóun total de 1,363 GW, de los cuales el 71% fue aportado por centrales de energíahidráulica y el 17% por parques eólicos. La electricidad generada por energíasrenovables represento aproximadamente un cuarto de la generación total deenergía global (5,360 GW). Algunos de los factores que han impulsado la industriade energía renovables, en específico a la energía eólica y solar, son ladisminución de costos en la tecnología, los apoyos de los gobiernos para eldesarrollo sustentable, entre otros factores. Los sistemas fotovoltaicos conviertenla radiación solar en potencial eléctrico, y son en la actualidad ampliamenteutilizados como generadores de electricidad de modo sustentable. Para el periodo2000 - 2009 la capacidad total instalada mostró una Tasa Media de CrecimientoAnual (TMCA) de 60%. Así, durante el año 2009 se adicionaron 7 GW,alcanzando un total de 24 GW, de los cuales 21 GW corresponden a sistemasconectados a la red eléctrica (casi 7% de la capacidad total con energía renovable,excluyendo a las grandes hidroeléctricas), mientras que el resto (3-4 GW) asistemas aislados. Para el año 2010, un estimado de 17 GW de capacidad fueronadicionados, principalmente conectados a la red eléctrica, ubicando la capacidadtotal a nivel mundial en 40 GW (SENER/GIZ, 2012). En un estudio comparativoacerca del consumo de energía a nivel mundial realizado por Agenciainternacional de energía (AIE), muestra que para 2050, más del 45% de lasnecesidades de energía a nivel mundial serán solventadas por sistemas solaresfotovoltaicos (A. Safari et al.,2011) .

3

Figura 1. Escenario mundial para la generación de electricidad para las energías renovable.

México geográficamente se encuentra entre los 14° y 33° de latitud hemisferionorte, escenario ideal para la explotación de la energía solar, ya que la irradiaciónglobal media diaria en el territorio nacional es de alrededor de 5.5 kWh/m2,colocando al país dentro de los primeros lugares en el mundo en disponibilidad derecurso solar. El Instituto de investigaciones Eléctricas (IIE), ha realizado estudiosrespecto a la potencial de aprovechamiento de la energía solar térmica deconcentración y ha estimado un potencial medio aprovechable en el corto plazo enlas zonas norte y noroeste del país de 1,653 MW, mientras que el potencial paracalentamiento solar de agua se ubica en más de dos millones de metroscuadrados de calentadores solares de agua al año. (SENER, 2012).

Figura 2. Radiación global media diaria en Kwh/m2.

Para 2010-2011 a partir de la publicación de interconexión de sistemasfotovoltaicos conectados a la red eléctrica, la Comisión Federal Electricidadregistró una capacidad adicional instalada de estos sistemas en pequeña ymediana escala por 3.48 MW, en el periodo 2010-2011. Considerando elcrecimiento de la capacidad de generación eléctrica por este tipo de sistemasinterconectados a la red, principalmente en el sector residencial y de servicios, su

4

crecimiento fue del 763% (1.34 MW) en el año 2010 y 128% (1.95 MW) en 2011.Por otro lado, la capacidad de generación eléctrica por sistemas fotovoltaicosaislados de la red, fue de 0.2 MW (5.71%); se estima que el factor de plantapromedio fue de 0.207. (SENER, 2012).

Tipo de energía Capacidad instalada en operación(MW)

Capacidad autorizada enconstrucción (MW)

EólicaGeotérmicaHidráulica

SolarBiomasa

Total

1,215958

11,60333

54814,357

2,0690.01365393

2,351

Tabla 1.1 Capacidad instalada en operación y en construcción para la generación de energíasrenovales 2012 en México. *Incluye proyectos fotovoltaicos de pequeña y mediana escala,principalmente en aplicaciones de electrificación rural y residencial.

El crecimiento del mercado de nuevos componentes, sistemas y módulosfotovoltaicos origina la necesidad de caracterizarlos. Los elementos másimportantes en el análisis y caracterización de una celda fotovoltaica, módulo oconjunto de módulos fotovoltaicos (arreglos), son las curvas características decomportamiento del voltaje contra corriente (I-V) y voltaje contra potencia (P-V) yel máximo punto de potencia MPPT, (Durán, 2010). Esta curvas poseen nolinealidad, dada esta condición, existe un punto sobre la curva característica delpanel, en el cual se puede obtener la máxima potencia. Por esto, es necesariocontar con un circuito electrónico capaz de detectar y seguir el punto de máximapotencia generado por los paneles solares. A este tipo de circuito se lo denominaMPPT por sus siglas en ingles “Maximun Power Point Tracker”. Dados los motivosanteriormente mencionados, surge la necesidad de desarrollar un circuito detectordel MPPT, para que, mediante la energía solar captada desde los panelessolares, se alimente la carga de los sistemas eléctricos y la batería del UAV Solardesarrollado en el Departamento de Mecánica Aeronáutica del InstitutoUniversitario Aeronáutico (IUA). (Murdoch,et. al 2010). El método basado en lacarga electrónica mediante transistores MOSFET como carga, variando el voltajepuerta contra fuente, se modula la resistencia entre drenado y la fuente, y portanto el flujo de corriente suministrada por el módulo, barriendo la curva I-V delmódulo, este método hace que el MOSFET recorra tres zonas de funcionamiento(corte, saturación y tríodo), por lo tanto, gran parte de la potencia suministrada porel módulo tenga que ser disipada por dicho transistor, limitando en cierta medidasus aplicaciones a mediana potencia. (Durán 2010).

5

El sistema propuesto en este trabajo de investigación aplicada titulado: “Modeladoy caracterización de paneles fotovoltaicos” utiliza el modelo matemático de lacelda fotovoltaico estimando el comportamiento bajo condiciones reales deirradiancia G y temperatura Tc, por medio de ecuación de Shockley (Gow, 1999),describiendo la relación entre la voltaje V y la corriente I proporcionada por unpanel fotovoltaico utilizando un entorno de modelado matemático fundamentadoen Matlab Simulink e instrumentación Virtual en LabView de National Instrument,mostrado en la figura 4. En la sección de Materiales y Métodos se modelar ysimular paneles fotovoltaicos bajo condiciones reales utilizando los parámetrosfuncionales de referencia, pruebas estándar de laboratorio, y las condiciones deoperaciones de trabajo bajo temperaturas e irradiancia variables.

Figura 3. Panel de control en LabView - Matscrip del sistema de simulación de panelesfotovoltaicos.

El modelo fue implementado en Matlab Simulink y posteriormente migrado aLabView en Matlab Script, (González, 2005). El sistema permite en base a datosclimatológicos y de geometría solar, y los parámetros funcionales de panelfotovoltaico calcular y simular el FV, bajo condiciones estándar de laboratorio(STC) ,factor de llenado, eficiencia y Máximo punto de potencia. La interfaz decarga electrónica de trazado de curvas está constituida por varios transistoresMOSFET´s en paralelo controlados por dsPIC30f2020. Al reducir gradualmente lacorriente de compuerta de los MOSFET´s por modulación PWM, el punto defuncionamiento del generador fotovoltaico se mueve desde corriente de cortocircuito Isc a el voltaje de circuito abierto Voc, trazando las curvas I-V y P-V delpanel fotovoltaico, el sistema de adquisición de datos es una tarjeta NationalInstrument NIDAQ 6008 controlada por instrumentación virtual HMI en LabViewpara visualización de las curvas generadas.

6

HIPÓTESIS

Por medio de ecuación de Shockley que describe la relación entre la voltaje (V) yla corriente (I) proporcionada para una celda fotovoltaica utilizando un sistema demodelado matemático Matlab Simulink y programación de instrumentos Virtualesen LabView se determina los puntos de máxima potencia solar teóricos. Estospuntos son validados por medio del desarrollo de un interfaz de potencia detrazado de curvas corriente contra voltaje para paneles fotovoltaicos y controladorpor dsPIC30f2020 y tarjeta NIDAQ6008 e interfaz virtual HMI LabView, utilizandoel método basado en la carga variable mediante transistores MOSFET´s,modificando el voltaje puerta contra fuente, por modulación PWM cambiando laresistencia entre drenado y la fuente, y por tanto el flujo de corriente suministradapor el módulo, barriendo de inicio a fin la curva corriente contra voltaje, graficandolos puntos de máxima potencia solar reales.

7

OBJETIVO GENERAL

Modelado, diseño, e implementación de una interfaz de simulación de curvascaracterísticas de paneles fotovoltaicos e interfaz de trazado de potenciatipologías, utilizando la plataforma de modelando Matlab Simulink instrumentosVirtuales en LabView y el método basado en la carga variable por transistoresMOSFET´s para simular y estimar el comportamiento bajo condiciones deirradiancia (G) y temperatura variables en un programa de instrumentación virtualencontrando el punto de máxima potencia solar teórico y práctico.

OBJETIVOS PARTICULARES

Realizar un estudio de los modelos matemáticos de trayectorias y radiaciónsolar de la localidad en cuestión con efectos de desarrollar bases de datosde trayectoria y radiación solar para el modelado de curvas característicasde paneles fotovoltaicos.

Realizar un estudio del modelo matemáticos de celdas fotovoltaicos para lamedida y caracterización de las curvas I-V y P-V de panel fotovoltaico.

Utilizar la técnica en la caracterización de las curvas I-V y P-V degeneradores fotovoltaicos, empleando una metodología de corrección de lacurva ideal del diodo por método de iteración y factor de idealidad.

Programar y caracterizar por medio de los parámetros voltaje de circuitoabierto Vco, corriente de corto circuito Isc, coeficiente de temperatura,numero de celdas en Matlab script en Simulink y exportar la programaciónrealizada la interface virtual LabView, ejecutando prueba funcional.

Diseño y modelado de un simulador de paneles fotovoltaicos utiliza elmodelo matemático de Shockley de la celda fotovoltaico, para estimar elcomportamiento bajo condiciones de irradiancia (G) y temperatura variablesen un programa de instrumentación virtual LabView - Matlab Script.

Realiza un estudio de seguimiento y trazado de curvas características delos paneles fotovoltaicos con el controlado dsPIC30F2020 y tarjetaNIDAQ6008 e interfaz virtual HMI LabView, para encontrar el punto demáxima potencia solar.

8

CAPÍTULO I

MATERIALES Y MÉTODOS

1.1 Disponibilidad de Energía solar (trayectorias y radiación solar)

De manera inicial la metodología comienza con el estudio de los modelosmatemáticos de trayectorias y radiación solar aplicados a la localidad deChihuahua, Chih., con efectos de desarrollar bases de datos reales de trayectoriasolar y radiación solar para el modelado de curvas características de panelesfotovoltaicos, analizando la disponibilidad de recurso solar, la secuencia decálculos para obtener la radiación solar diaria y el promedio mensual sobre unplano inclinado orientado hacia el sur, puntualizando la información de intensidadde radiación y heliofanía histórica para el municipio de Chihuahua,Chih., ubicadogeográficamente en una de las regiones con mejor radiación solar en el mundo,aproximadamente 5.54 kw/h por metro cuadrado en promedio por día, para lalatitud de 28,63 norte y longitud de 106,07 oeste. Los datos son suministrados porfuentes plenamente confiables como son el explorador de recursos renovables dela NASA (Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio).

1.1.1 Trayectoria solares

En esta sección se presenta el modelo de las trayectorias solares apoyadas en lageometría solar. Estas trayectorias están definidas por la declinación solar y elángulo horario, altura solar, y las sucesivas como ángulo de elevación solar,ángulo cenital, ángulo acimutal, tiempo solar verdadero, horas de insolación sonnecesarios en el ajustar y posición optima de dispositivos fotovoltaicos (panelesfotovoltaicos) para efectos de simulación de trayectorias solar.

Figura 1.1. Puntos de orientación por geometría solar para un panel fotovoltaico.

9

En primera instancia los algoritmos para calcular la posición del Sol, el modelomatemático para el cálculo de la declinación solar δ (radianes) pueden calcularsemediante la expresión de Cooper:

(1.1)

Sin embargo el modelo de declinación solar ampliamente utilizado es la ecuación1.2 y 1.3 por su grado de exactitud según la NOAA (Administración NacionalOceánica y Atmosférica) es la expresión de Spencer (Edson et al 2007).

(1.2)

(1.3)

Obteniendo la expresión 1.1, 1.2 y 1.3 se calcula el ángulo α (radianes) ,alturasolar, el cual mide la altura del sol respecto a un plano horizontal, depende de lalatitud Φ y de la declinación solar δ. Si se une el sol con la posición del observadormediante una línea y esta se proyecta en el plano horizontal. Donde (J) representael día del año en numeración corrida desde 1 hasta 365. Es necesario aclara queh es la altura solar máxima en el ángulo horario de 12:00 hrs. ecuación 1.4,

(1.4)

El ángulo cenital se calcula debido a que es complementario a la altura solarecuación 1.5. Este dato es un valor máximo de θz, solo se aplica a las 12:00 hrssolares.

(1.5)

El ángulo horario se calcula a partir de la hora solar que es la hora del día definidapor el movimiento del Sol, y en la cual el medio día solar siempre ocurre cuando elSol cruza el meridiano local proyectado en el cielo. El ángulo horario ( ) se mideen horas. En donde ( SH ) representa la hora solar en un rango de 0 a 24 horas.

(1.6)

180)300148.03cos0.002697

2000907.02cos0.006758070257.0cos399912.0006918.0(

sen

sensen

365

)284(245.23 nsen

365

12 J

)(90 h

90z

1215 SH

10

Existe otra fórmula con la que poder saber el ángulo horario ( ) mediante la horalocal (H SL) del lugar:

(1.7)

En base a los resultados de ecuación 1.2 y 1.3 se substituye en la ecuación 1.8obteniendo el ángulo horario de salida y puesta de sol, S correspondiente a laaparición y la desaparición del Sol en el plano del horizonte. Sus valores absolutosson idénticos.

(1.8)

Para calcular la altura solar, ecuación 1.9, bajo distintos ángulos horarios seutiliza la ecuación 1.7 anterior.

(1.9)

Considerando el ángulo horario ecuación 1.8., obtenemos el Tiempo SolarVerdadero TSV ecuación 1.10 , tiempo basado en el movimiento aparente del Solen el plano celeste. A las 0:00 hora solar verdadera, el Sol cruza el meridiano delobservador y alcanza la máxima altura sobre el horizonte. Por lo tanto el TiempoSolar Verdadero comienza a contarse a partir del mediodía solar (cenit solar).

(1.10)

La ecuación 1.11 calcula el ángulo cenital, fundamentado con la ecuación 1.6ahora calculando el ángulo cenital para los valores del ángulo horario ω querepresenta el ángulo equivalente para la hora solar en un rango de 0 a 24 horas.

(1.11)

Ángulo de salida y puesta de sol para los planos inclinados S1,S2,S3.

(1.12)

))(tantan( ArcCosS

)(15

112 sTSV

tan)tan( SArcCosSX

)()()()()( CosCosCosSenSenCos z

)()()()()( CosCosCosSenSenSen

SLH15180

11

Se permiten tres posiciones para el plano inclinado donde S1,S2,S3 :

(1.13)Anual

Invierno

Verano

Para los ecuación 1.13 de estados S1,S2,S3, indican las selecciones de posicionesadecuadas estacionales, anual, invernal y de verano, en base a la latitud conocida.

El número de horas de luz H.I. , ecuación 1.12,converte el ángulo de salida de Sola horas desde el amanecer hasta el mediodía solar y, a continuación,multiplicando por 2 para incluir las horas del mediodía solar al atardecer, obtiene elnúmero de horas de luz natural. Supone el número de horas con insolación sobreun plano horizontal.

(1.14)

El ángulo acimutal s se calcula con la siguiente expresión ecuación 1.15, ybasado en las ecuación 1.2 y 1.9 :

(1.15)

El ángulo acimutal s para una superficie inclinada θ

(1.16)

El ángulo acimutal o recorrido horizontal ψs, forma el ángulo entre el meridianoceleste del observador y el plano de un gran círculo que pasa por el cenit y el sol,variando entre 0° ± 180°.

152.. sIH

2

2

3

2

1

S

S

S

0cos:18090

0cos:900

1)()cos(

)()cos()(cos

1)cos()cos(

)()()(

1

1

so

so

so

so

s

s

sensensen

sensensencos

12

1.1.2 Ecuaciones de tiempo

Para motivos de análisis es necesario aclarar que el día solar como el tiempo quetranscurre entre dos pasos consecutivos del Sol a través del meridiano local alpunto de observación y se considera que en dicho punto se ha alcanzado el mediodía solar. Sin embargo, ésta duración puede llegar a diferir hastaaproximadamente 30 minutos alrededor de la duración estándar de 24 horas. Lamáxima duración ocurre en los primeros días de noviembre hasta 24 horas con 16minutos, mientras que la mínima duración ocurre alrededor del 14 de febrero con24 horas menos 14 minutos (fig. 1.2). Esta variación puede calcularse en minutosmediante una ecuación 1.17, su expresión matemática se presenta en la ecuación.

)18.229)(204089.02cos014615.0032077.0cos001868.0000075.0(

sensenE t

(1.17)

Spencer desarrolló un modelo matemático en términos de una serie de Fourier,para calcular Et , en donde ( ) representa ángulo diario que es el equivalenteangular del día del año y (J) representa el día juliano.

(1.18)

Figura 1.2 . Representación gráfica de la ecuación de tiempo.

El tiempo solar representa la hora del día respecto a la posición del Sol. Por otrolado, el tiempo estándar representa la hora cotidiana, lo cual supone que laduración del día es en apariencia la misma. Este tiempo representa la duracióndel día promedio a lo largo del año. La relación entre el tiempo solar y el tiempoestándar depende de dos términos, la ecuación de tiempo y el desfasamientodebido a las zonas de uso horario convenidas internacionalmente. Cada zona ouso horario utiliza una misma hora local de acuerdo con un meridiano de

365

12 J

13

referencia, los cuales, por lo general, están distanciados a intervalos de una hora(15 grados) respecto al meridiano de Greenwich.

Figura 1.3 . Husos horarios distribución zonas de tiempo mundial.

Los tres husos horarios mostrados en la figura 1.3, en México son los meridianosde referencia 90, 105 y 120 grados de longitud oeste, -6,-7, y -8 respectivamente.La mayor parte del territorio utiliza el meridiano 90 oeste que difiere respecto almeridiano de Greenwich en 6 horas. Es decir, que cuando el Sol atraviesa elmeridiano de Greenwich (medio día solar) aun deberán transcurrir 6 horas máspara que el Sol llegue al medio día solar en el meridiano 90 oeste. Si el meridianodel punto de observación es diferente al de referencia, el medio día solar estarádesfasado a razón de 4 minutos por cada grado. La expresión matemática paracalcular el tiempo solar en base a la hora solar puede describirse en la ecuación1.19.

(1.19)

1.1.3 Radiación solar diaria

La radiación global máxima pico sobre un plano horizontal en un día promediose localiza arriba de los 1000 w/m2, entre las 10:00 a.m. y las 2:00 p.m. , y de 800w/m2, entre las 9:00 a.m. y las 3:00 p.m., lo cual nos da un rango de captaciónoptima de los paneles de 6 hrs promedio al día, como se muestra en la figura 1.4.

6015tloczh

ESELLTT

14

Figura 1.4 Radiación solar global diaria distribuida en 0 hrs. a 24 hrs. en la ciudad de Chihuahua

1.1.4 Estimación del Promedio mensual irradiación promedio mensual sobreplano inclinado

En principio para conocer los modelos matemáticos de la Radiación global en elplano horizontal en el plano horizontal diaria promedio mensual. H G,H,d. Seconsulta la página oficial de la Nasa Atmospheric Science Data Center,obteniendo los datos para la localidad de Chihuahua ubicado geográficamente enla latitud de 28,63 norte y longitud de 106,07 oeste.

Tabla 1.2 Datos de la Nasa Atmospheric Science Data Center , para la localidad de Chihuahua.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20

normal beam horizontal global

horizontal diffuse horizontal beam

Horas solares

Irradiación [W/m2]

S S EH o m e p a g e F in d A D if fe r e n t L o c a t io n A c c u r a c y M e th o d o lo g y P a r a m e te r s

(U n it s & D e f in it io n )

N A S A S u r fa c e m e te o r o lo g y a n dS o la r E n e r g y : R E T S c r e e n D a ta

L a titu d e 2 8 .6 3 2 / L o n g itu d e -1 0 6 .0 7 2 c ity C H I H U A H U A

U n it C lim a te d a t alo c a t io n

L a ti tu d e °N 2 8 .6 3 2L o n g itu d e °E -1 0 6 .0 7 2E le v a t io n m 1 4 4 0H e a tin g d e s ig n te m p e ra tu re °C -0 .6 5C o o lin g d e s ig n te m p e ra tu re °C 2 7 .7 8E a r th te m p e ra tu re a m p li tu d e °C 2 1 .0 1F ro s t d a y s a t s i te d a y 3 1

M o n th A irte m p e r a tu r e

R e la t iv eh u m id ity

D a ilys o la r

r a d ia t io n-

h o r iz o n ta l

A t m o s p h e r icp r e s s u r e

W in ds p e e d

E a r t hte m p e r a tu r e

H e a t in gd e g r e e -

d a y s

C o o lin gd e g r e e -

d a y s

°C % k W h /m 2 /d k P a m /s °C °C -d °C -d

J a n u a ry 6 .6 5 2 .2 % 4 .0 3 8 2 .9 4 .1 7 .3 3 3 4 8

F e b ru a ry 8 .7 4 4 .6 % 4 .9 4 8 2 .8 4 .1 1 0 .2 2 4 8 2 7

M a rc h 1 2 .0 3 2 .6 % 6 .3 5 8 2 .7 4 .2 1 4 .7 1 8 1 8 2

A p r i l 1 6 .1 2 8 .5 % 7 .1 4 8 2 .7 4 .2 1 9 .7 7 0 1 8 2

M a y 2 0 .4 2 8 .9 % 7 .4 4 8 2 .8 4 .0 2 4 .5 8 3 1 5

J u n e 2 2 .9 4 1 .7 % 6 .7 3 8 2 .8 3 .5 2 6 .9 0 3 8 5

J u ly 2 1 .2 6 3 .3 % 6 .0 2 8 3 .0 3 .2 2 3 .7 0 3 5 3

A u g u s t 2 0 .1 6 9 .1 % 5 .7 4 8 3 .1 2 .9 2 2 .0 0 3 2 6

S e p te m b e r 1 8 .4 6 9 .3 % 5 .5 0 8 3 .0 3 .2 2 0 .1 1 3 2 6 7

O c to b e r 1 5 .1 6 2 .7 % 5 .1 2 8 3 .0 3 .5 1 6 .4 7 9 1 7 4

N o v e m b e r 1 0 .5 5 4 .0 % 4 .3 6 8 3 .0 4 .1 1 1 .4 2 0 6 6 1

D e c e m b e r 6 .8 5 4 .8 % 3 .7 4 8 3 .0 4 .0 7 .3 3 2 5 1 3

A n n u a l 1 4 .9 5 0 .2 % 5 .5 9 8 2 .9 3 .8 1 7 .0 1 4 6 4 2 1 9 3

M e a s u re d a t (m ) 1 0 .0 0 .0

S S EH o m e p a g e F in d A D if fe r e n t L o c a t io n A c c u r a c y M e th o d o lo g y P a r a m e te r s

(U n its & D e f in it io n )

N A S A S u r fa c e m e te o r o lo g y a n dS o la r E n e r g y : R E T S c r e e n D a ta

L a titu d e 2 8 .6 3 2 / L o n g itu d e -1 0 6 .0 7 2 c ity C H I H U A H U A

U n it C lim a te d a t alo c a t io n

L a ti tu d e °N 2 8 .6 3 2L o n g itu d e °E -1 0 6 .0 7 2E le v a tio n m 1 4 4 0H e a tin g d e s ig n te m p e ra tu re °C -0 .6 5C o o lin g d e s ig n te m p e ra tu re °C 2 7 .7 8E a r th te m p e ra tu re a m p li tu d e °C 2 1 .0 1F ro s t d a y s a t s i te d a y 3 1

M o n th A irte m p e r a tu r e

R e la t iv eh u m id ity

D a ilyso la r

r a d ia t io n-

h o r iz o n ta l

A t m o s p h e r icp r e s su r e

W in dsp e e d

E a r t hte m p e r a tu r e

H e a t in gd e g r e e -

d a y s

C o o lin gd e g r e e -

d a y s

°C % k W h /m 2 /d k P a m /s °C °C -d °C -d

Ja n u a ry 6 .6 5 2 .2 % 4 .0 3 8 2 .9 4 .1 7 .3 3 3 4 8

F e b ru a ry 8 .7 4 4 .6 % 4 .9 4 8 2 .8 4 .1 1 0 .2 2 4 8 2 7

M a rc h 1 2 .0 3 2 .6 % 6 .3 5 8 2 .7 4 .2 1 4 .7 1 8 1 8 2

A p ril 1 6 .1 2 8 .5 % 7 .1 4 8 2 .7 4 .2 1 9 .7 7 0 1 8 2

M a y 2 0 .4 2 8 .9 % 7 .4 4 8 2 .8 4 .0 2 4 .5 8 3 1 5

Ju n e 2 2 .9 4 1 .7 % 6 .7 3 8 2 .8 3 .5 2 6 .9 0 3 8 5

Ju ly 2 1 .2 6 3 .3 % 6 .0 2 8 3 .0 3 .2 2 3 .7 0 3 5 3

A u g u s t 2 0 .1 6 9 .1 % 5 .7 4 8 3 .1 2 .9 2 2 .0 0 3 2 6

S e p te m b e r 1 8 .4 6 9 .3 % 5 .5 0 8 3 .0 3 .2 2 0 .1 1 3 2 6 7

O c to b e r 1 5 .1 6 2 .7 % 5 .1 2 8 3 .0 3 .5 1 6 .4 7 9 1 7 4

N o v e m b e r 1 0 .5 5 4 .0 % 4 .3 6 8 3 .0 4 .1 1 1 .4 2 0 6 6 1

D e c e m b e r 6 .8 5 4 .8 % 3 .7 4 8 3 .0 4 .0 7 .3 3 2 5 1 3

A n n u a l 1 4 .9 5 0 .2 % 5 .5 9 8 2 .9 3 .8 1 7 .0 1 4 6 4 2 1 9 3

M e a su re d a t (m ) 1 0 .0 0 .0

15

Se recomienda utilizar los modelos de cálculos de irradiación solar globalacumulada en el mes la zona norte de México (ecuación 1.20),en los resultados yfórmula obtenidos por Díaz G. 2012,utilizando los valores de humedad relativapromedio mensual (MJ/m2) y la , irradiación extraterrestre acumulada en elmes , (MJ/m2), si no se dispone de los datos de radiación global planohorizontal.

( 1.20)

Cálculo de la radiación extraterrestre en el plano horizontal Ho (MJ/m2).

(1.21)

Factor de claridad Kt, en función de Radiación global plano horizontal diariadHGH ,, y la radiación global plano horizontal extraterrestre OH .

(1.22)

Relación radiación difusa plano horizontal diaria dHdH ,, , contra radiación global

dHGH ,, , relación Liu Jordan.

(1.23)

Relación para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 :

(1.24)

)()(

3602

)()()(365233.0124

SenSen

wwSenCosCosnCosHH s

sCSO

O

dHGt H

HK ,,

32

,,

,, 108.3531.5027.439.1 tttdHG

dHd KKKHH

dHb

dIbb H

HR

,,

,,

)()(

180)()()(

)()(180

)()()( ´´

SenSenwwSenCosCos

SenSSenwwSenCosSCosR

ss

ss

b

Peg HRQQ 97.254.043.246

16

´sw = Representa el valor mínimo de las siguientes expresiones:

a) ))tan()tan((cos 1´ sw

(1.25)b) ))tan()tan((cos 1 Sws


(1.26)


(1.27)


(1.28)

Cálculo de la radiación difusa dHdH ,, en el plano horizontal.

(1.29)

dHd

dIdd H

HR

,,

,,

2

)(1 SCosR d

dHG

cprefp H

HRR

,,

,

2

)(1 SCosR d

RRHH

RHH

R ddHG

dHdb

dHG

dHd

,,

,,

,,

,,1

dHG

dIG

HH

R,,

,,

dHG

dHddHGdHd HH

HH,,

,,,,,,

17

Cálculo de la radiación directa dHbH ,, en el plano horizontal.

(1.30)

Radiación directa en el plano inclinado dHbH ,, para las tres inclinaciones S1,S2 y S3

(1.31)

Radiación difusa en el plano inclinado dIdH ,, para las tres inclinaciones S1,S2 y S3

(1.32)

Radiación reflejada por el suelo hacia el plano inclinado cpH , para las tresinclinaciones S1,S2 y S3

(1.33)

Radiación global en el plano inclinado dIGH ,, para las tres inclinaciones S1,S2 y S3

(1.34)

dHbdHddHG HHH ,,,,,,

bdHbdIb RHH ,,,,

pdHGcp RHH ,,,

RHHHHH dHGcpdIddIbdIG ,,,,,,,,,

ddHddId RHH ,,,,

18

1.2 Caracterización de la celda fotovoltaica

En esta sección se presenta un análisis del modelo teórico de la celda fotovoltaicay de un arreglo fotovoltaico o modulo fotovoltaico, revisando primeramente elmodelo Shockley. Posteriormente analizando el modelos de comportamientosteórico de la irradiancia y la temperatura en los paneles fotovoltaicos enfocado enel trazado de las curvas corriente contra voltaje (I-V) y potencia contra voltaje(P-V). El modelado de las curvas I-V y P-V se realiza, empleando una técnicade corrección de la curva ideal del diodo por método de iteración y factor deidealidad. Por último se estudia el comportamiento de la potencia, eficiencia yfactor de forma y factor de llenado del modulo fotovoltaico. Es preciso efectuaruna serie de precisiones referentes a los distintos materiales semiconductores quepueden constituir la celda fotovoltaica y como afectan al modelo matemático enespecifico a los parámetros de radiación para poder profundizar en lacaracterización de dichos dispositivos. La celda fotovoltaica contiene una unión desemiconductores n-p fotosensible, al exponerse a la luz, los fotones con energíasuperior que la energía de banda prohibida Eg del semiconductor son absorbidosy crear un par electrón-hueco, el ancho de la banda prohibida depende delsemiconductor, (Tabla 1.3.). Los fotones que poseen una energía mayor al saltoenergético Eg entre la banda de conducción y la de valencia, pueden serabsorbidos y forzar el salto de un electrón entre estas dos bandas. Como estesalto deja un hueco en la banda de valencia, la absorción de un fotón genera unpar electrón-hueco. Si esta generación tiene lugar a una distancia de la unióninferior a la denominada longitud de difusión, existe una alta probabilidad de queestos portadores sean separados por el elevado campo eléctrico existente en launión p-n, produciéndose la separación de ambas cargas; el electrón se desplazahacia la zona n y el hueco hacia la zona p, creándose con ello una corrienteeléctrica cuando ambas regiones son conectadas mediante un circuito exterior. Esimportante recalcar que la conductividad del material aumenta por efecto de laabsorción de radiación de longitud de onda adecuada (efecto defotoconductividad). De esta manera se liberan por efecto de la luz los electronescon los cuales se puede generar una corriente. Existe por consiguiente unlongitud de onda crítica por debajo de la cual la energía de los fotones no alcanzaa producir excitación de los electrones de la banda de valencia a la banda deconducción. Para el Si con una Eg de 1.14 eV , a se tiene una longitud de ondacritica de 1.09 mm. Fotones con energías inferiores 1.14 eV absorbidos por elmaterial, se transforman en calor aumentando la temperatura. Esto indica que laluz visible como el infrarrojo cercano excitan en este material los electrones de labanda de valencia hacia la banda de conducción (figura 1.5 y 1.6).

19

Figura 1.5. Estructura de banda para dos semiconductores cristalinos.

En la figura 1.5, puede observarse el diagrama de bandas para el silicio Si y dearsenuiro de galio GaAs. En un semiconductor la banda prohibida Eg es menorque para los aislantes (para el Si es de 1,12 eV a temperatura ambiente), algunoselectrones de la banda de valencia pueden moverse por agitación térmica hacia elsiguiente nivel de energía permitido en la banda de conducción, quedando huecosen la banda de valencia, los huecos se mueven en dirección opuesta a loselectrones ante la presencia de un campo eléctrico aplicado. El salto energéticoentre bandas limita la porción de radiación que puede ser absorbida en unsemiconductor. Sólo los fotones con energía mayor a Eg son capaces de crear unpar electrón-hueco (Tabla 1.3) y, por tanto, contribuir al proceso de transformaciónenergética. Esto establece que en una celda fotovoltaica se ha de minimizar lareflexión y la recombinación y maximizar la absorción.

Semiconductor Eg (eV)TeGe

CuInSe2Si cristalino

Cu2SInP

GaAsCdTeCdSe

Si amorfoCu2OGaPCdSTiO2

0.330.671.051.121.201.341.421.451.72-1.752.102.252.423.0

Tabla 1.3 Saltos energéticos Eg de algunos semiconductores.

20

La energía que contiene un fotón varía en función de su longitud de onda, desde0,5 eV hasta los 2,9 eV. La luz roja tiene una energía de 1,7 eV y la azul de 2,7eV. La naturaleza espectral de la luz solar es un aspecto fundamental que afectaal diseño eficiente de las celdas solares (figura 1.6).

Figura 1.6 Espectro de la luz solar y eficiencia cuántica de los semiconductores.

Existe una gran variedad de compuestos semiconductores que ofrecen estacaracterística fotovoltaica y que se obtienen al combinar los elementos de lascolumnas III y V de la tabla periódica, los que presentan predominantementeenlaces covalente que son para las celdas solares hechas de materiales conseleniuro de cobre e indio, y arseniuro de galio. Otras celdas hechas con cristalessemiconductores provenientes de las columnas II y VI poseen tanto enlacesiónico como covalente; estos se conocen como semiconductores polares (ZnSe,CdS, CdTe). En la Tabla 1.4 se presentan algunos elementos y compuestossemiconductores y sus propiedades, donde se muestra que las celdas con mayordensidad de corriente tienden a tener menor Voc . Esto es una consecuencia delsalto de energía (band gap) del semiconductor empleado. En general, lasdiferentes aplicaciones fotovoltaicas requieren un compromiso entre lafotocorriente y la voltaje Voc. (Barrera,2009).

Tipo de Celda Área (cm2) Voc (V)Densidad de corriente

(mA/cm2)(%)

FF Eficiencia

c-Sip-Sia-Si

GaAsCulnGaSe2

CdTe

4.01.11.03.91.01.1

0.7060.6540.8871.0220.6690.848

42.238.119.428.235.725.9

82.879.574.187.177.074.5

24.719.812.725.118.416.4

Tabla 1.4 Características de algunos tipos de celdas solares bajo condiciones STC.

21

Los dispositivos semiconductores denominados celdas fotovoltaicas trabajan bajoson capaces de generar cada de ellas una corriente de 2 a 4 amperios, a unvoltaje de 0,46 a 0,48 voltios, utilizando como fuente de energía la radiaciónluminosa. Las celdas se montan en serie sobre módulos fotovoltaicos o módulossolares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente sepierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la celda). Elresto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando unacorriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta laeficacia de la celda. Por lo general una celda fotovoltaica tiene un grosor que varíaentre los 0,25mm y los 0,35mm y una forma generalmente cuadrada, con unasuperficie aproximadamente igual a 100 mm2. Las celdas solares de siliciodisponibles comercialmente en la actualidad tienen una eficiencia de conversiónen electricidad de la luz solar por unidad de superficie del 18%. En la industriafotovoltaica existen una gran variedad de métodos para la producción práctica deceldas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismomodo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobree indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc). Una celda fotovoltaica de silicioamorfo mayormente entre 8 % hasta 9 % de eficiencia, estas celdas tienen latendencia en los primeros doce meses de uso de brindar una sobreproducción deaproximadamente 10%, los paneles comparados a los monocristalinos ypolicristalinos son 30 % más grande y la vida útil se estima a diez años que essolo la mitad promedio de los paneles mono y policristalinos, pero las ventajas sonde que producen una cantidad de energía considerable en nublado parciales, enun lapso de 9 horas o más al día.

Figura 1.7. Eficiencia de las celdas solares actuales.

21



21



22

1.2.1 Circuitos Equivalentes

Las Figura 1.5 muestran el circuito equivalente de la celda solar no ideal bajocondiciones de irradiancia G y temperatura T.

Figura 1.8 Circuito equivalente simplificado de celda solar.

El modelo exponencial propuesta por Gow 1999, demuestra la relación entre lacorriente (I) y voltaje (V) entregadas por un modulo fotovoltaica, np y nsindican el numero de celdas solares conectadas en paralelo y en serie Rp y Rslas resistencias intrínsecas paralelo y serie asociadas, K es la constante deBoltzman (1,3806 x10 -23 J/K), q es la carga del electrón (1.6022 x10 -19 C). Elfactor A determina la desviación de las características de la unión n-p ideal, lacorriente de saturación inversa Io, la cual es dependiente de la temperatura delpanel IL es la corriente generada por la radiación solar. Las corrientes exhibenuna relación casi lineal respecto de la radiación y la temperatura.

(1.35)

La ecuación 1.35 describe el comportamiento físico del circuito equivalente noideal de la celda solar mostrado en la Figura 1.5. Pero en efecto se presentanresistencias de tal manera que la corriente generada se ve disminuida. De acuerdoa la figura 1.8, la celda solar es un generador de corriente (voltaje casi constante)cuya corriente LI es reducida por la corriente del diodo Io. Las caídas de voltajeestán representadas por las resistencias en serie y en paralelo Rs y Rp. La np y nsindican el número de celdas conectadas en serie y/o paralelo, permitiendo calcularsistemas con mayor número de celdas.

P

p

s

sTAKnR

nVq

L RnR

nV

eIIIB

p

s

s

1

)(

0

22





(1.35)


P

p

s

sTAKnR

nVq

L RnR

nV

eIIIB

p

s

s

1

)(

0

22





(1.35)


23

1.2.2 Modelo teórico para la celda fotovoltaica

La ecuación 1.36 basada en el modelo de Shockley, describe la relación entre lavoltaje (V) y la corriente (I) proporcionada por una celda fotovoltaica. En estecircuito, la corriente I proporcionada por la celda solar es proporcional a lacorriente producida por la fuente IL, la cual representa la corriente fotovoltaicagenerada. Cuando la corriente por la carga (I) en el circuito mostrado en la figura1.8 es cero (circuito abierto), prácticamente toda la corriente generada circula através del diodo (despreciando la que circula por Rp), obteniéndose la condiciónde circuito abierto en los extremos de la celda. Esta corriente es denominadacorriente de oscuridad, en analogía a la corriente que circularía por la celda enausencia de iluminación cuando ésta es sometida a una diferencia de potencial V(ecuación 1.36). Según el modelo simplificado de la celda fotovoltaica basado enmodelo Shockley (González, 2005 ).

(1.36)

El cálculo de la corriente fotogenerada en la celda solar )( 1TLI bajo condiciones de

irradiancia variable, en corriente de corto circuito )( ,1 nomTSCI y a temperatura nominal,se deben ejecutar bajo los parámetros Standard Test Conditions (STC), ecuación1.37.

(STC) Masa de Aire =MA = 1.5 , G(nom) =1000 w/m2 , T(nom) = 25 OC

(1.37)

Posteriormente se calcular la corriente fotogenerada IL en la celda solar bajocondiciones de temperatura variable T, aplicando el coeficiente de corriente porgrado centígrado de la celda solar Ko con temperatura de referencia T1 a 25OC. ecuación 1.38.

(1.38)

P

sTAKIRVq

L RIRVeIII B

s

1)(

0

)(

)()(

,1

1

*

nom

TSCTL G

IGI nom

)(1 10)( 1TTKII TLL

24

Fundamentado en las características de la celda fotovoltaica se encuentra elvoltaje de circuito abierto )1(TVoc , aplicando el número de celdas del panelfotovoltaico conectadas en serie, ecuación 1.39.

ST N

Voc 9.20)1( (1.39)

Continuando con el cálculo de la corriente de saturación inversa del diodoequivalente en la celda solar )1(0 TI , utilizando la corriente de corto circuito )( 1TSCIpara un temperatura nominal STC de T(nom) = 25 OC, ecuación 1.40.

(1.40)

Donde:

n = Factor de idealidad para diodo de silicio (0≤ n ≤1).k = Constante de Boltzman (1.381x10-23 J/K).q = Carga del electrón (1.602X10-19C).Eg(Si)= 1.12 eV.

En base a )1(0 TI se prosigue a encontrar la corriente de saturación inversa deldiodo equivalente en la celda solar 0I , en condiciones de temperatura variable T ,ecuación 1.41.

1

113

)1(00 1TT

nk

qV

n

T

g

eTTII

(1.41)

11

)1(

1)()1(0

TnkqV

TSCT Toc

e

II

25

La ecuación 1.44, calcula la resistencia dinámica serial Rs de la celda fotovoltaicasustituyendo los valores en las ecuaciones 1.42 y 1.43.

(1.42)

(1.43)

(1.44)

Sin embargo se puede encontrar Rs por un método alternativamente donde sedivide el voltaje de circuito abierto entre la corriente de corto circuito, por laecuación 1.45, ( Bowden,. 2001).

(1.45)

Es de suma importancia recalcar que la resistencia equivalente en paralelo seobviará de este análisis, según los estudios realizados por González 2005. Estodebido a que el efecto de la resistencia en paralelo equivalente no afectasignificativamente la corriente generada de la celda fotovoltaica en la ecuación1.36.

1

)1(

1

)1(0

TnkqVT

vToc

enkT

qIX

NsdIdV

Voc 215.1

vVocs XdI

dVR 1

sc

ocscdarks I

VIVR )/(

26

1.2.3 Punto de máxima potencia MPPT

Las celdas fotovoltaicas presenta curvas características V-I que definen elcomportamiento de la celda ante distintos escenarios de operación. La potenciade una celda solar está dada por el producto de la corriente y el voltaje de lamisma. El punto de máxima potencia (MPP, Maximum Power Point) es elproducto del voltaje en el punto máximo (Vmpp) y corriente en el punto máximo(Impp) para los cuales la potencia obtenida del arreglo fotovoltaico es máxima(Pmpp). El punto de máxima potencia varía continuamente dependiendo defactores como la temperatura de la celda solar y de las condiciones de irradiancia.

Figura 1.9 Punto de máxima potencia para la celda fotovoltaica.

La potencia máxima Pmpp que se consigue de la celda es el área del máximorectángulo que se puede inscribir dentro de la curva característica IV. Figura 1.9.

En base a lo anterior la potencia que suministra una celda es:

IVP (1.46)

Si V = 0 , I = Isc y P = 0Si V = Voc , I = 0 y P = 0

El punto de máxima potencia Pmp se calcula teóricamente de en base a laecuación 1.47.

mpmpmp IVP (1.47)

27

Con fundamento en las ecuaciones anteriores la corriente fotogenerada LI secalcula nuevamente con la ecuación 1.37 y 1.38. Se considera el voltaje decircuito abierto del sistema en función de la ecuación 1.39, posteriormente lacorriente de saturación inversa 0I de la celda se calcula con las ecuacionesanteriores 1.40 y 1.41.

La condición para máxima potencia se obtiene cuando 0)(

dVIVd :

o

L

IIc ln1 (1.48)

1ccd (1.49)

)1( dLmp cII (1.50)

También la corriente máxima potencia se puede obtener sustituyendo en laecuación 1.36 el voltaje máximo de potencia.

(1.51)

P

p

s

s

mpTAKnR

nV

q

Lmp RnR

nV

eIIIB

p

s

s

mp

1

)(

0

28

1.2.4 Curvas Características

Las características de la curvas de corriente contra voltaje (I-V) de una celda solarirradiada se pueden observar en la figura 1.10. El rango de funcionamiento de unacelda solar abarca desde V = 0 ( Isc corriente de cortocircuito) hasta Voc (I=0corriente de circuito abierto), exclusivamente en estos dos puntos, la celda noprovee potencia eléctrica. Voc representa la máxima voltaje proporcionada por lacelda a corriente cero (sin carga o en vacío), mientras que Isc representa lamáxima corriente disponible con voltaje cero (carga en cortocircuito). Para V < 0 lacelda consume potencia para generar una fotocorriente, la cual da inicio a laemisión de luz. Las resistencias serie Rs como paralelo Rp deterioran la forma dela curva comparada con el rectángulo definido por los valores Voc e Isc. Paraobtener celda eficientes se requiere resistencia serie Rs < 1 Ω y Rp > kΩteóricamente. (Durán, 2010).

Figura 1.10 Curvas características I-V y P-V de una celda fotovoltaica.

Figura 1.11 Efectos de la temperatura e irradiancia en una celda fotovoltaica.

29

La corriente generada por un celda fotovoltaica es directamente proporcional a lairradiancia G, incidente en dicha celda, ya que un G=1000 w/m2 generará unacorriente cercana a la corriente de máxima potencia Impp, sin embargo una G=500w/m2 generara aproximadamente el 50% de Impp, presentando para motivos deanalisis un relación lineal con respecto a la irradiancia, lo cual no sucede con elvoltaje de la celda, el cual se ve mínimamente afectado por la disminución de lairradiancia. ver figura 1.11. Las curvas características de la celda fotovoltaica seven afectadas a partir de los 25 oC (temperatura estándar), el modulo pierdevoltaje a razón aproximada de 83 mV por cada grado centígrado que aumente latemperatura de la celda, por lo tanto el modulo pierde potencia a razónaproximada de 0.5% por grado centígrado que aumente la temperatura de lacelda, ver figura 1.11.

1.2.5 Factor de Llenado y Eficiencia de las Celdas Solares

El factor de llenado de un celda fotovoltaica está relacionado con la eficiencia deuna celda solar, donde el factor de llenado o fill factor (FF) se define como larelación entre el máximo punto de potencia dividido entre el voltaje en circuitoabierto (Voc) y la corriente en cortocircuito Isc, el factor de llenado FF, cuanto másse aproxime la relación a 1 el factor de forma significa que la potencia real de lacelda se acerca a la potencia ideal de la misma, denotando un índice de mayorcalidad en la celda, ver figura 1.12.

Figura 1.12 Curvas característica celda solar Factor de llenado.

Para calcular el factor de llenado, ecuación 1.52 :

scoc

mpmp

IVIV

FF (1.52)

30

La eficiencia de una celda solar (η), es el porcentaje de potencia convertida enenergía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel, cuando una celdasolar está conectada a un circuito eléctrico. Esta ecuación 1.53, se calcula usandola relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la luz que llega a lacelda, irradiancia (G, en W/m²), bajo condiciones estándar (STC) y el áreasuperficial de la celda solar (A en m²).Ver tabla 1.5.

incidentesolarPotenciaeléctrícamáximaPotencia

(1.53)

La eficiencia se da entonces como:

AGIV

AGFFIV mmscoc (1.54)

En donde A es el área (m2) donde incide la irradiación solar G=1000 W/m².

Eficiencia de una celda comercial:

))(1( TTrefref (1.55)

Tipo de Celda FV FFEficiencia η

c-Sip-Sia-Si

GaAsCulnGaSe2

CdTe

82.879.574.187.177.074.5

24.719.812.725.118.416.4

Tabla 1.5 Eficiencia y Factor de forma para algunos tipos de celdas solares.

Los cuatro parámetros descritos, Isc, Voc, FF y η establecen las características deuna celda solar. Para efectos de comparación, estos parámetros deben serexpresados bajo condiciones estándar (STC) de iluminación: AM1.5, una densidadde potencia incidente de 1.000 W/m2 (que se define como 1 sol) y a unatemperatura ambiente de 25ºC. Es necesario destacar que la media de densidadde potencia solar de la superficie terrestre es de 170 W/m2, es decir, una sextaparte de la densidad estándar elegida para comparar la eficiencia de celdassolares. Se ha de tener también en cuenta que la eficiencia de las celdasconvencionales disminuye rápidamente a bajas densidades de potencia, y queceldas con menor eficiencia nominal pueden proporcionar un mejor rendimiento amenor intensidad de luz y temperatura más alta.

31

1.3 Métodos de simulación de curvas características de panelesfotovoltaicos

Estos métodos se fundamentan prácticamente en el modelo matemático de lacelda fotovoltaico modelo de Shockley, para estimar el comportamiento bajocondiciones de irradiancia (G) y temperatura variables en un programa deinstrumentación virtual. El resultado se configura en un modelo típico de acuerdoa sus parámetros de operación. El modelo se implementa en Matlab Scrip y seexporta a la interfaz virtual LabView, permitiendo caracterizar las variablesfundamentales de un panel fotovoltaico (FV) para distintas marcas comerciales,obteniendo como resultado las curvas características de operación I-V y P-V,evaluando en la simulación la eficiencia y el factor de forma del panel FV bajocondiciones estándar de prueba (STC),para validar los datos obtenidos en lasimulación se comparan contra un programa de simulación de sistemafotovoltaicos llamado PSIM.

El módulo fotovoltaico Yingli Solar 80 W fue elegido para el modelado, debido aque se adapta bien a las aplicaciones tradicionales de la energía fotovoltaica. Elmódulo Yingli Solar proporciona 80 W de potencia máxima nominal, y cuentacon 36 celdas de silicio policristalino conectado en serie. Las especificacionesprincipales se muestran en la Tabla 1.6 y 1.7.

Parametros eléctricos

Modulo tipo 80(17)PR1172×541Celdas tipo Policrstalino silicioNo. of Celdas en conexión 36 in seriesMáxima Potencia (Pm) 80W±3%Voltaje Máxima Potencia (Vpm) 17.5VCorrientes Máxima Potencia (Ipm) 4.6AVoltaje de circuito abierto (Voc) 22.0VCorriente de corto circuito (Isc) 5.0AEficiencia del modulo 12.6%Eficiencia de la celda 14.7%

Tabla 1.6 Parámetros eléctricos del Panel Yingli solar 80 W.

Coeficientes de TemperaturaPo Tk(Wp) -0.45％/℃

Voltaje de Circuito Abierto Tk(Voc) -0.37％/℃Corriente de corto circuito Tk(Isc) +0.06％/℃

Tabla 1.7 Parámetros de coeficientes de temperatura.

32

1.3.1 Simulación de curvas características FV en Matlab Simulink

El programa de simulación de curvas características de paneles fotovoltaicosutilizado es Matlab Simulink, inicialmente debe almacena los datos introducidos delas características eléctricas de los módulos y las condiciones ambientales demedida de irradiancia y temperatura de celda para posteriormente en base a losparámetros antes mencionados calcula 400 iteraciones de datos de corrientecontra voltaje I-V, para el trazado de la curva característica. El programa consideralos siguientes aspectos:

a) Los efectos de la resistencia en paralelo son despreciables.

b) La corriente IL es la máxima corriente que el panel puede entregar.

c) en cualquier condición de trabajo.

d) Todas las celdas son iguales y trabajan iluminadas de la misma forma y a lamisma temperatura.

e) La resistencia de los conductores que interconectan las celdas en arreglosson despreciable.

Consideraciones de modelado:

Los datos se basan en mediciones realizadas en un simulador solar encondiciones de prueba estándar de laboratorio, Iluminación de 1 kW/m2 (1sun) en la distribución espectral, masa de aire 1.5, temperatura de 25 ºC,velocidad del viento de 1 m/s.

En condiciones climáticas ambientales operar a temperaturas máselevadas de 25 ºC condición de laboratorio. El NOCT (temperatura deoperación nominal de la célula normalmente de 47 +/- 2 oC )

El modelado del sistema fotovoltaico se llevó a cabo utilizando unprograma en Matlab-Simulink, los parámetros del modelo se evalúandurante la ejecución mediante las ecuaciones que aparecen en la secciónanterior.

El programa, calcula la corriente según la ecuación 1.36, utilizando losparámetros típicos eléctricas del módulo (ISC, VOC), y las variables devoltaje, irradiación (G) y temperatura (T). El programa considera laresistencia en serie en el modelo. Esta resistencia hace la solución para lacorriente ec. 1.36, un problema no lineal, que debe ser resuelto mediantemétodos numéricos.

Para el punto anterior programa de modelado utilizó el método de Newton-Raphson, debido a que en el artículo de González,2005 p4, indica este

1)(

TAKIRVq

B

s

e

33

método iterativo ya que permite una mayor rapidez en la convergencia dedatos, tanto para corrientes positivas como negativas.

En el programa de secuencias de comandos de Matlab se tomó en cuentalos parámetros del módulo Yingli Solar 80 W. Ver Tablas 1.6 y 1.7.

El programa de modelado utilizó las siguientes secuencias de programación:

Inicialmente debe almacena los datos introducidos de lascaracterísticas eléctricas de los módulos y las condicionesambientales de medida de irradiancia y temperatura de celdafotovoltaica:

Características eléctricas:

IPV, VPV – Corriente celda (A) y voltaje (V)ID, VD – Corriente de Diodo(A) y voltaje (V)Iph – Corriente fotogenerada (A)Isc – Corriente de circuito abierto (A)Voc – Voltaje de circuito abierto (V)G - Irradiancia (W/m2)T - Temperatura (K)n - Diode ideality factor (0≤n≤1)k – Constante de Boltzman (1.381X10-23J/K)q – Carga del electrón (1.602 X10-19C)Ir – Corriente de saturación inversa (μA)Rsh, Rs – Resistencia shunt y serie (Ω)Vt – Voltaje termal(= nkT/q) in mVVm , Im –Máximo punto de voltaje y corriente (V ,A)Pm – Máximo punto de potencia (W)α – Coeficiente de corriente por Temperaturaβ - Coeficiente de voltaje por TemperaturaSTC – Condiciones estándar de prueba (G=1000W/m2 and T=25 C AM=1.5)NS , NP – Numero de celdas en serie y paralelo.

k = 1.38e-23 % Constante de Boltzmanq = 1.602e-19 % Carga del electronA = 1.2 % Coeficiente de calidad del diodo factor de idealidadVg = 1.12 % Voltaje de banda gap diodoT1 = 273 + 25 % Temperatura de trabajoVoc_T1 = 20.9/Ns % Voltaje de circuito abierto por Celda para T1Isc_T1 = Isc_ref; % Corriente de corto circuito por celda para T1%Voc_T2 = (Voc-Cof_Voc*TaC )/Ns; % Voltaje de circuito abierto por Celda T2TaK = 273 + TaC; % Temperatura de Trabajo

34

Iteración de Ia corriente generada 400 valores de corriente y voltajeobservando la norma STC.

for j=1:5;Ia =Ia -(Iph - Ia - Ir.*( exp((Vc+Ia.*Rs)./Vt_Ta) -1))/(-1 -(Ir.*( exp((Vc+Ia.*Rs)./Vt_Ta) -1)).*Rs./Vt_Ta);

if(Ia<0)Ia = 0;

end

Cálculo de los parámetros eléctricos del módulo yconfiguración, se destacan la corriente fotogenerada y lacorriente de saturación inversa del diodo, además de laresistencia serie de la celda fotovoltaica, Iph_T1, Ir, X2v,dVdI_Voc ,Rs, Vt_Ta , Vc ,b,Vt_Ta, Ia, fundamentado en lasecuaciones del punto 1.2.2 y 1.2.3.

if (Suns > 1)Suns = 1;

endif (Suns < 0)

Suns = 0;endIph_T1 = Isc_T1 * Suns; % Corriente fotogenerada T1ko = UI_sc/100 % Coeficiente de corriente por grado centigradoIph = Iph_T1 * (1 + ko*(TaK - T1)); % Corriente fotogeneradaVt_T1 = k * T1 / q; % = A * kT/qIr_T1 = Isc_T1 / (exp(Voc_T1/(A*Vt_T1))-1); % Ir_T2 = Isc_T2 /(exp(Voc_T2/(A*Vt_T1))-1);b = Vg * q/(A*k)Ir = Ir_T1 * (TaK/T1).^(3/A) .* exp(-b.*(1./TaK - 1/T1)); % Corriente desaturacion del diodoX2v = Ir_T1/(A*Vt_T1) * exp(Voc_T1/(A*Vt_T1));dVdI_Voc = - 1.15/Ns / 2; % dV/dI at Voc para cadaceldaRs = - dVdI_Voc - 1/X2v; % Resistencia serie porceldaVt_Ta = A * 1.38e-23 * TaK / 1.60e-19; % = A * kT/qVc = Va/Ns; % Resistencia serie porceldaIa = zeros(size(Vc));

35

Figura 1.13 Diagrama de flujo de Simulación de curvas características FV en Matlab Simulink.

Presentación gráfica de las curvas I-V y P-V de las condiciones demedida y los parámetros eléctricos del módulo por la funcióndiseñada PV_MODULE.

Guardado de la configuración del programa

36

1.3.2 Simulación de curvas características FV en LabView

El programa de instrumentación virtual utilizado es LabView, al igual que MatlabSimulink, inicialmente debe almacena los datos introducidos de las característicaseléctricas de los módulos y las condiciones ambientales de medida de irradiancia ytemperatura de celda para posteriormente en base a los parámetros antesmencionados calcula 400 iteraciones de datos de corriente contra voltaje I-V. Elprograma al igual que el punto 1.3.1 anterior debe obedecer las siguientescriterios:

a) Los efectos de la resistencia en paralelo son despreciables.

b) La corriente IL es la máxima corriente que el panel puede entregar.

c) en cualquier condición de trabajo.

d) Todas las celdas son iguales y trabajan iluminadas de la misma forma y a lamisma temperatura.

e) La resistencia de los conductores que conectan los celdas en arreglos sondespreciable.

Y ejecutar las siguientes secuencias:

1)(

TAKIRVq

B

s

e

Inicialmente debe almacena los datos introducidos de las característicaseléctricas de los módulos y las condiciones ambientales de medida deirradiancia y temperatura de celda fotvoltaica: SubVi del sistema demodelado y simulación de paneles fotovoltaicos en Matscrip.

37

Extrapolación de los 400 valores de corriente y voltaje a STC.

Cálculo de los parámetros eléctricos del módulo y configuración de laIph_T1, Ir, X2v, dVdI_Voc ,Rs, Vt_Ta , Vc ,b,Vt_Ta, Ia, apoyado enlas ecuaciones del punto 1.2.2 y 1.2.3.

38

Figura 1.14 Diagrama de flujo de Simulación de curvas características FV en LabView.

Presentación gráfica de la(s) curva(s) I-V, de las condiciones de mediday los parámetros eléctricos del módulo. Finalmente, el programaalmacena los resultados en un archivo con extensión propia .txt convalores tabulados en modo texto. Para trabajo con cualquier software dehoja de cálculo.

Guardado de la configuración del programa

39

De acuerdo con los las formulas vistas en el capítulo 1.2, es posible La validaciónlos datos obtenidos en la simulación, para ello se comparan contra un programade simulación de sistema fotovoltaicos llamado PSIM, donde es necesario aplicarlos parámetros detallados anteriormente ahora en el PSIM.

Figura 1.15 Validación de los datos de simulación contra PSIM.

IPV, VPV – Corriente celda (A) y voltaje (V)ID, VD – Corriente de Diodo(A) y voltaje (V)Iph – Corriente fotogenerada (A)Isc – Corriente de circuito abierto (A)Voc – Voltaje de circuito abierto (V)G - Irradiancia (W/m2) 1000w/m2T - Temperatura (K)n - Diode ideality factor (0≤n≤1)k – Constante de Boltzman (1.381X10-23J/K)q – Carga del electrón (1.602 X10-19C)Ir – Corriente de saturación inversa (μA)Rsh, Rs – Resistencia shunt y serie (Ω)Vt – Voltaje termal(= nkT/q) in mVVm , Im –Máximo punto de voltaje y corriente (V ,A)Pm – Máximo punto de potencia (W)α – Coeficiente de corriente por Temperaturaβ - Coeficiente de voltaje por TemperaturaSTC – Condiciones estándar de prueba (G=1000W/m2 andT=25 C AM=1.5)NS , NP – Numero de celdas en serie y paralelo (36 ).

40

1.4 Método de generación curvas I-V y P-V en panelesfotovoltaicos

En este punto se presenta la caracterización eléctrica y método de medida demódulos fotovoltaicos de silicio cristalino en polarización directa. A continuaciónse realizará una revisión de los métodos más usados para realizar el barrido decorriente contra voltaje (I-V) como señales de salida de un dispositivo fotovoltaicos(FV) y trazar su curva I-V. De forma análoga, los factores que influyen en lacalidad de la medida realizada y en la elección de uno y otro método son: coste,volumen de medidas realizadas, velocidad, repetitividad, precisión, facilidad deuso y mantenimiento del sistema de medida. Han sido desarrollados una variedadamplia de sistemas de medida de curvas I-V para medir la eficiencia y el resto deparámetros de dispositivos fotovoltaicos, desde celdas con un área de 0,01 cm2

hasta sistemas de varios Kw. Todos los procedimientos y métodos utilizadosexperimentalmente para medir la característica I-V de medida de dispositivosfotovoltaico, están basados en controlar la corriente proporcionada por elgenerador fotovoltaico. Por ello se emplea una carga variable conectada en losterminales del mismo dispositivo. La variación de dicha carga desde la corrientecorto circuito a circuito abierto permite medir todos los puntos de la curva I-Vdesde Isc a Voc respectivamente. A continuación se describen el modelo deextrapolación bajo STC y dos método de medida de curvas en condicionesreales de operación, como también la instrumentación y software que permitenmedir la curva I-V de módulos fotovoltaicos y procesar los resultados.

1.4.1 Modelo de extrapolación bajo STC

La extrapolación a las STC se realiza punto a punto para 512 valores de corrientey de voltaje de acuerdo a las recomendaciones del IEC 60891 (Procedures fortemperature and irradiance corrections to measured I-V characteristics ofcrystalline silicon photovoltaic (PV) devices), válidas para módulos de siliciocristalino.

La expresión para la extrapolación de la corriente es,

]))[25(]/[

]/[10002

2* CTN

mWGmWII o

ccpMED

(1.56)y la extrapolación para el voltaje,

]))[25(* CTNVV occpMED (1.57)

Donde, el superíndice “*” indica los valores a STC.

41

El método de cálculo de la resistencia serie por medio de cuatro parámetros,basada en la expresión que define la curva I-V del módulo fotovoltaico, es elsiguiente:

(1.58)

La aproximación mediante la pendiente de la curva, es un método basado en lasderivadas de la función en puntos locales de la curva característica I-V y senombra resistencia dinámica. La resistencia serie se obtiene a partir de la derivadade la función en torno a VOC y se representa como:

(1.59)

Y para la resistencia paralelo, la derivada de la función en torno a ISC y serepresenta como:

(1.60)

Esta misma aproximación se puede obtener mediante la recta tangente a la curvacerca de VOC e ISC para RS y RP respectivamente. (Orduz, 2009)

1.4.2 Medida de la curva I-V mediante carga capacitiva

Es imperativo aclarar que el método que se utilizó para obtención de las curvascaracterísticas reales del panel fotovoltaico Yingli Solar de 80 W, es la “cargaelectrónica”, el cual se explicará en el punto 1.4.3 de este capítulo.El método capacitivo se fundamenta en emplear un gran condensador como

carga, el cual es descargado en el inicio de la medida para después cargarsemediante la apertura de MOSFET_2 y el cierre de MOSFET_1,ver figura 1.17 .Mientras la carga del condensador se incrementa, la corriente decrece y la voltajeaumenta. Cuando la carga del condensador se ha completado, la corrientesuministrada por el módulo se hace cero y se obtiene la condición de circuitoabierto, trazando prácticamente todo el recorrido de la curva I-V. figura 1.16.

*

***

*

)(*

1

m

mOCSC

mSTCtS

s I

VVIIInVN

R

VocVso I

VR

SCIIShO I

VR

42

Figura 1.16 Curvas generadas para un panel fotovoltaico por carga capacitiva.

Figura 1.17 Generación curvas del panel fotovoltaico por carga capacitiva.

Para la utilización de este método curva I-V mediante carga capacitiva esnecesario tomar las siguientes consideraciones:

Para producir el barrido I-V de un módulo fotovoltaico, se ha implementadouna carga capacitiva que usa un condensador electrolítico como carga parael módulo fotovoltaico, el cual es cargado en un rango de tiempoaproximado entre 20 y 100 ms. En el caso de medida de convertidoresMPPT el tiempo de barrido es entre 10 y 15 segundos. La conmutaciónentre el módulo y el condensador se realiza por medio de un transistor

42





42





43

MOSFET (Metal oxide semiconductor Field Effect Transistor) controladopor un circuito de control que protege la puerta del transistor y filtra losefectos de ruido eléctrico.

Se inicia la carga del condensador desde la corriente en cortocircuito, estose realiza con MOSFET_1 cerrado, por lo que el condensador seríainicialmente cargado con voltaje positiva, con lo que el barrido empieza , locual permite medir el valor de Isc. Para obtener una curva I-V con datosvalidos con el método capacitivo, se requieren condensadores de altacalidad y bajas pérdidas. Además son necesarios otro interruptor MOSFETaccionado con la secuencia apropiada y la descarga previa delcondensador para iniciar una nueva medida. Al no ser cíclica lareproducción de la curva I-V, no es posible una visualización directa ytampoco una reproducción parcial de dicha curva. El tiempo de carga delcondensador es directamente proporcional a su valor y al voltaje de circuitoabierto del generador fotovoltaico, e inversamente proporcional a lacorriente de cortocircuito.

Cuanto mayor sea la velocidad de medida requerida, menor deberá de serel tamaño del capacitor. Puesto que el método requiere la descarga delcapacitor antes de iniciar una nueva medida, este exceso de tiempo hacerelativamente lento el método capacitivo (por lo regular alrededor de 1s, ypara MPPT el tiempo de barrido es entre 10 y 15 segundos). El voltaje y lacorriente son medidas por medio de una tarjeta de adquisición de datos yun computadora personal, la medida se inicia con el envío desde la tarjetade una señal de disparo al interruptor que conecta el condensador con eldispositivo fotovoltaico. Es posible conmutar las cargas capacitivasportátiles basadas en transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs), lacual permite medir arreglos fotovoltaicos en condiciones reales defuncionamiento en alta potencia DC. Los interruptores MOSFET de la figura1.17 se remplazan por IGBTs y el capacitor es cargado y descargado, estoestará dentro de las recomendaciones para trabajos futuros.

La ecuación de trabajo para la carga capacitiva es:

dTdVCtIc )( (1.61)

Considerando que la corriente es constante desarrollamos la siguiente ecuación:

CdVIcdT (1.62)

44

Para lal deducción del valor del capacitor se puede suponer un tiempo de cargaque este dentro del rango de tiempos que tiene la tajeta NIDAQ 6008 para tomarlos datos de las medidas, dicho rango puede ser de 10ms/div a 2s/div.

El programa de instrumentación virtual es LabView , el cual inicialmente lee 512muestras I-V de la tarjeta NIDAQ 6008 y almacena los datos introducidos de lascaracterísticas eléctricas de los módulos y las condiciones ambientales de medidade irradiancia y temperatura de celda. El programa debe observar las siguientesaspectos:

1. Suavizado de puntos no válidos: Estos puntos son causados por elsincronismo entre el disparo producido por el interruptor de la cargacapacitiva y el comienzo de la adquisición de datos. El programa corrigeeste problema recortando éstos puntos en los extremos de los ejes Y y X,es decir, en el punto de cortocircuito y de circuito abierto.

2. Extrapolación de los 512 valores de corriente y voltaje a STC.

3. Filtrado digital adaptativo de las muestras, optimizado en la zona máximapotencia. Tiene como objetivo eliminar el ruido eléctrico y el rizadoproducido por la cuantificación de la conversión A/D, realizaautomáticamente la tarjeta NIDAQ6008 .

4. Cálculo de los parámetros eléctricos del módulo y configuración de lapotencia máxima para los puntos, Pm,Im,Vm y curva característica.

5. Presentación gráfica de las curvas I-V, de las condiciones de medida y losparámetros eléctricos del módulo. Posteriormente, el programa almacenalos resultados en un archivo con extensión propia .txt con valores tabuladosen modo texto. Para trabajo con cualquier hoja de cálculo.

6. Guardado de la configuración del programa.

1.4.3 Medida de la curva I-V con carga electrónica

Según el análisis realizado por Durán, 2010 p.77, denota que uno de los mejoresmétodos para trazado de curvas características de módulos FV es el de cargaelectrónica, por ello y la rapidez del trazado de las curvas características es elmétodo elegido de trabajo para esta investigación. El método basado en la cargaelectrónica (figura 1.18) emplean transistores MOSFET´s IRF 1010N de 85 ampen paralelo como carga electrónica. Variando el voltaje compuerta-fuente, se varíala resistencia entre drenador y fuente, y por lo tanto el flujo de corrientesuministrada por el módulo. La trayectoria de la curva I-V del módulo cuando se

45

realiza mediante este método, requiere que el MOSFET´s recorra tres zonas defuncionamiento (corte, saturación y tríodo) y por tanto, que la mayor parte de lapotencia suministrada por el módulo tenga que ser disipada por dicho transistor, locual delimita las aplicaciones a media potencia. Así, se propone una cargaelectrónica con MOSFET´s para obtener la curva I-V de módulos fotovoltaicosdebido a su alta velocidad de barrido. La principal ventaja de este método demedida es la transición rápida de la resistencia de carga equivalenteproporcionada por el MOSFET´s. Los transistores MOSFET´s se acoplan enparalelo para incrementar la corriente de la carga electrónica. El voltaje y lacorriente son medidas con un divisor de voltaje y un sensor shuntrespectivamente. Los valores de voltaje y corriente son capturados mediante untarjeta NIDAQ 6008 para visualizar la curva I-V. Al trazar las curvas el programade instrumentación virtual LabView detecta los valores de voltaje y corriente y losmultiplicada obteniendo la potencia instantánea de los valores Isc y Voc, elprograma también es encargado de detectar de punto de máxima potencia delpanel fotovoltaico MPPT.

Si el sistema se encuentra trabajando con irradiancia directa solar, no consimuladores solares, se recomienda tomar las medidas de las curvas I-V, encortos intervalos de tiempo, para prevenir interferencias de nubes durante lasmedidas realizadas en exterior. La carga electrónica está constituida por variostransistores bipolares en paralelo, para logar reducir gradualmente la corriente dedrenaje a fuente se requiere de un sistema de modulación por ancho de pulsoPWM, aplicado directamente a la compuerta de los MOSFET´s, dicho sistema selogra por medio de un procesador digital de señales DSP, previamenteprogramado para generar una señal con un ciclo de trabajo desde 0% a 100% delciclo de trabajo, lo cual permite una excursión del punto de trazado de la curvadesde Isc a I=0. Para medir la corriente y la voltaje se emplea una tarjeta deadquisición de datos de alta velocidad NIDAQ 6008 USB. La iniciativa de estecircuito radica en que el barrido de la curva I-V es controlado mediante una rampade corriente por el DSP, en lugar de una rampa de voltaje.( Durán, 2010).

Figura 1.18 Generación curvas del panel fotovoltaico por carga electrónica.

45




45




46

El controlador DSP permite realizar el barrido completo del ciclo de trabajo(desde 0% hasta 100% del ciclo de trabajo e inversamente) para distintasfrecuencias e intervalos de duración del incremento y decremento del ciclo. Estautilidad ha sido empleada en esta investigación para controlar los convertidoresque permiten la reproducción de las curvas I-V y P-V de los generadoresfotovoltaicos. El DSP utilizado para implementar el barrido del ciclo de trabajo hasido el dsPIC 30F2020 de Microchip.

Características dsPIC 30F2020:

CPU modificada de alto rendimiento del RISC. Arquitectura modificada de Harvard. Arquitectura de sistema de instrucción optimizada compilador C. 83 instrucciones bajas con la dirección flexible modos. 24-bit instrucciones amplias, trayectoria de datos ancha de 16 bits. Espacio del programa del flash de la en-viruta de 12 kilobytes, con RAM de

512 . Registro de instrucciones de 16 bits. Hasta 30 MIPS de operación. 32 fuentes de la interrupción y 3 fuentes de la interrupción externa. 8 niveles de prioridad seleccionables por el usuario para cada interrupción.

El diagrama de flujo de la figura 1.19, muestra el sistema de caracterización depaneles fotovoltaicos, donde se realizan pruebas al prototipo utilizando undsPIC30F2020, el cual posee un módulo PWM de alta velocidad y alta resoluciónpara fuentes de alimentación conmutadas y un módulo ADC de diez bits deresolución con capacidad de muestrear hasta cuatro canales de manerasimultánea. La salida PWM de 10 bits (1.024 valores discretos desde 0% al 100%)proporciona una resolución (y frecuencia determinada) dada por las siguientesecuación.

)Pr*2(41_ 2 erescalerTimTMRTPperiodoPWM oscR (1.63)

FREQUENCYPWMPERIODOPWM

_*04.11009.1_

9

(1.64)

)2(_ )( Log

TTLog

RPWM CY

PWM

BITSESOLUTION

(1.65)

47

El programa de instrumentación virtual utilizado es LabView , el cual inicialmentelee 512 muestras I-V del la tarjeta NIDAQ6008 y almacena los datos introducidosde las características eléctricas de los módulos y las condiciones ambientales demedida de irradiancia y temperatura de celda. El programa debe observar lassiguientes labores:

1. Suavizado de puntos no válidos: Estos puntos son causados por elsincronismo entre el disparo producido por el interruptor de la cargaMOSFET´s paralelo y el comienzo de la adquisición de datos. El programacorrige este problema recortando éstos puntos en los extremos de los ejesY y X, es decir, en el punto de cortocircuito y de circuito abierto.

2. Extrapolación de los 512 valores de corriente y voltaje a STC.3. Filtrado digital de las muestras, optimizado en la zona máxima potencia.

Tiene como objetivo eliminar el ruido eléctrico y el rizado producido por lacuantificación de la conversión A/D, realiza automáticamente por la tarjetaNIDAQ6008 .

4. Cálculo de los parámetros eléctricos del módulo y configuración de lapotencia máxima en los puntos, Pm,Im,Vm y curva característica.

5. Presentación gráfica de las curvas I-V, de las condiciones de medida y losparámetros eléctricos del módulo. Finalmente, el programa almacena losresultados en un archivo con extensión .txt con valores tabulados en modotexto. Para trabajo con cualquier hoja de cálculo.

6. Guardado de la configuración del programa.

Figura 1.19 Sistema de caracterización de paneles fotovoltaicos.

48

Figura 1.20 Circuito de carga electrónica con Mosfet en paralelo.

Figura 1.21 Circuito adaptador de corriente para el sensor ACS715.

Figura 1.22 Conexiones de la tarjeta NIDAQ USB 6008.

48




48




49

Figura 1.23 Tablilla de control dsPic30F2020,.

+12 V

VDDRE4

S6

R12 10 K

C190.1 uf

VDD

C16

0.1 uf

VDD

BUS TERMINALESATORNILLABLE

R18POT

VDD

C240.01 uf

U2

J5

C11 C12 C13

VDD

C17

0.1 uf

C14

VDD

C18

0.1 uf

CERCA DEL CPU

RE5

VDD

S512

43

S7

SW DIP-2

R11 10 K

C16 0.1 uf

U4

AN0

AN1

AN2

AN3

OFF ( EXTERN SIGNAL )ON ( POT SIGNAL )

AN4

AN5

C170.1 uf

EXTERNSIGNAL

VDD

S8

R13 10 K

CONECTOR RJ11/ 6C JACKCON 6 CONDUCTORES

C8

0.01 uf

12345

109876

S4

SW DIP-5

MCLR

J1

RA9

ON PGM OR DEBUG

VS

OFF MICRO WORK FREE

MASTER RESET

SET

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc>

DSPIC30F2020 SISTEMA DE PRUEBAS

A

1 1Monday, August 18, 2008

MCLR1

RB0/AN02

RB1/AN13

RB2/AN24

RB3/AN35

RB4/AN46

RB5/AN57

VSS8

OSC19

OSC010

RE7/EMUD111

RE6/EMUC112

VDD13

OSC2/RF614

OSC1/RD115

RA916

PGD/U1TX17

PGC/U1RX18

VSS19

VDD20

PWM3H/RE521

PWM3L/RE422

PWM2H/RE323

PWM2L/RE224

PWM1H/RE125

PWM1L/RE026

AVSS27

AVDD28

U1DSPIC30F2020

123456

RJ11

MCLR

VDD

C10.1 uf

RXD

OFF ( SIGNAL PWM3 L & H )ON ( RE5 Y RE4 BOTTON SIGNAL )

EMUD1

TXD

EMUC1

RXD

TXD

12

43

S1

SW DIP-2

VDDMCLR

C18

0.1 uf

VDD

VDD

EMUC1

EMUD1

OFF DEBUGON PGM

R1POT

C20.01 uf

R2POT

Kp

C30.01 uf

VDD

R3POT

C40.01 uf

VDD

VDD

R4POT

VDD

C50.01 uf

123456

121110987

S3

SW DIP-6

C10

PWM1L

Ki

+ 5VDC

GND

PWM1H

PWM2L

PWM2H

PWM3L

PWM3H

Kd

GND

+12 VDC

R17POT

C150.01 uf

VDD

50

CAPÍTULO II

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

2.1 Resultados del estudio de disponibilidad solar

Los resultados de la caracterización y modelado de sistemas fotovoltaicos sedividir en tres estudios principales, estudio de disponibilidad de la energía solar, lasimulación de curvas características de paneles fotovoltaicos, y la generación decurvas características de los mismos.

IRRADIACION SOLAR GLOBAL DIARIA, PROMEDIO MENSUAL,SOBRE UN PLANO INCLINADO ORIENTADO HACIA EL SUR.

CIUDAD: CHIHUAHUA,CHIH.LATITUD: 28,63166 ONLONGIT.: 106,0719 OWALTURA: 1440 M.S.N.M.ALTURA SOLAR MAX. ANUAL: 84,46834 gradosALTURA SOLAR MIN. ANUAL: 38,26834 gradosPREFERENCIA ANUAL (S1): 28,63166 gradosPREFERENCIA INVIERNO (S2): 42,94749 gradosPREFERENCIA VERANO (S3): 14,31583 gradosREFLECTIVIDAD DEL SUELO: 0,24

CONSTANTE SOLAR (HCS): 4,9212 MJ/M2-HR

.

Tabla 2.1 Datos generales de radiación y posición global del la ciudad de Chihuahua.

SSEH o m epage F ind A D ifferent L ocation A ccuracy M ethodology P ara m eters

(U nits & D efin ition)

N A SA Surface m eteorology andSolar E nergy: R E T Screen D ata

L atitude 28.632 / L ongitude -106.072 city C H IH U A H U A

U nit C lim ate datalocation

Latitude °N 28.632Longitude °E -106 .072E levation m 1440H eating design tem peratu re °C -0 .65C ooling design tem peratu re °C 27 .78E arth tem peratu re am plitude °C 21.01Frost days at site day 31

M onth A irtem perature

R elativehu m idity

D ailysolar

radiation-

horizontal

A tm osphericpressure

W indspeed

E arthtem perature

H eatingdegree-

days

C oolingdegree-

days

°C % kW h/m 2/d kP a m /s °C °C -d °C -d

January 6 .6 52 .2% 4.03 82 .9 4 .1 7 .3 334 8

February 8 .7 44 .6% 4.94 82 .8 4 .1 10 .2 248 27

M arch 12 .0 32 .6% 6.35 82 .7 4 .2 14 .7 181 82

A pril 16 .1 28 .5% 7.14 82 .7 4 .2 19 .7 70 182

M ay 20 .4 28 .9% 7.44 82 .8 4 .0 24 .5 8 315

June 22 .9 41 .7% 6.73 82 .8 3 .5 26 .9 0 385

Ju ly 21 .2 63 .3% 6.02 83 .0 3 .2 23 .7 0 353

A ugust 20 .1 69 .1% 5.74 83 .1 2 .9 22 .0 0 326

Septem ber 18 .4 69 .3% 5.50 83 .0 3 .2 20 .1 13 267

O ctober 15 .1 62 .7% 5.12 83 .0 3 .5 16 .4 79 174

N ovem ber 10 .5 54 .0% 4.36 83 .0 4 .1 11 .4 206 61

D ecem ber 6 .8 54 .8% 3.74 83 .0 4 .0 7 .3 325 13

A nnual 14 .9 50 .2% 5.59 82 .9 3 .8 17 .0 1464 2193

M easured at (m ) 10 .0 0 .0

51

Figura 2.1 Radiación solar global diaria distribuida en 0 hrs. a 24 hrs. en la ciudad de Chihuahua.

En base a la latitud 28.63 ON y longitud 106.07 OW de la localidad de ChihuahuaChih.,se calcula la declinación solar de Spencer, donde:

CIUDAD: CHIHUAHUA,CHIH.LATITUD: 28,63166 ONLONGIT.: 106,0719 OWALTURA: 1440 M.S.N.M.

Aplicando la ecuación 1.2, y 1.3 la declinación solar mínima es:

DIA No. DEL DECLINACION

MES PROM. DIA (n) SOLAREnero 17 17 -20,91683

y la declinación solar máxima:DIA No. DEL DECLINACION

MES PROM. DIA (n) SOLARJunio 11 162 23,08598

Tabla 2.2 Datos de geometría solar declinacion solar máxima y minima.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20

normal beam horizontal global

horizontal diffuse horizontal beam

solar time

Irradiación [W/m2]

52

Resultados de la declinación solar de Spencer promedio mensual son:

DIA No. DEL DECLINACION

MES PROM. DIA (n) SOLAREnero 17 17 -20,91683Febrero 16 47 -12,95435Marzo 16 75 -2,41740Abril 15 105 9,41523Mayo 15 135 18,79215Junio 11 162 23,08598Julio 17 198 21,18350Agosto 16 228 13,45456Sept. 15 258 2,21638Oct. 15 288 -9,59989Nov. 14 318 -18,91229Dic. 10 344 -23,04974

Tabla 2.3 Datos de geometría solar declinacion mensual.

Sustituyendo en la ecuación la altura solar ecuación 1.4, mínima y máxima,mensual y promedio mensual son:

DIA No. DEL ALTURA

MES PROM. DIA (n) A.SOLAR(W=0)Enero 17 17 40,45

DIA No. DEL ALTURA

MES PROM. DIA (n) A.SOLAR(W=0)

Junio 11 162 84,45

Tabla 2.4 Datos de geometría solar altura solar máxima y minima.

DIA No. DEL ALTURA

MES PROM. DIA (n) A.SOLAR(W=0)Enero 17 17 40,45Febrero 16 47 48,41Marzo 16 75 58,95Abril 15 105 70,78Mayo 15 135 80,16Junio 11 162 84,45Julio 17 198 82,55Agosto 16 228 74,82Sept. 15 258 63,58Oct. 15 288 51,77Nov. 14 318 42,46Dic. 10 344 38,32

Tabla 2.5 Datos de geometría solar altura solar mensual.

53

Con los datos anteriores se genera el ángulo horario en la ecuación 1.8resultando:

DIA No. DEL ÁNGULO

MES PROM. DIA (n) WS

Enero 17 17 77,96Febrero 16 47 82,79Marzo 16 75 88,68Abril 15 105 95,19Mayo 15 135 100,71Junio 11 162 103,46Julio 17 198 102,21Agosto 16 228 97,50Sept. 15 258 91,21Oct. 15 288 84,70Nov. 14 318 79,22Dic. 10 344 76,57

Tabla 2.6 Datos de geometría solar ángulo horario mensual.

Y ahora obtenemos la hora de salida del sol en la ecuación 1.10:

DIA No. DEL HORA SALIDA

MES PROM. DIA (n)H.S.DEL S.

(TSV)Enero 17 17 6,80Febrero 16 47 6,48Marzo 16 75 6,09Abril 15 105 5,65Mayo 15 135 5,29Junio 11 162 5,10Julio 17 198 5,19Agosto 16 228 5,50Sept. 15 258 5,92Oct. 15 288 6,35Nov. 14 318 6,72Dic. 10 344 6,90

Tabla 2.7 Datos de geometría solar ángulo horario mensual.

54

Las horas con insolación para el plano horizontal según la ecuación 1.14 son:

DIA No. DEL HORAS DE

MES PROM. DIA (n)INSOL.(plano

H.)Enero 17 17 10,39Febrero 16 47 11,04Marzo 16 75 11,82Abril 15 105 12,69Mayo 15 135 13,43Junio 11 162 13,79Julio 17 198 13,63Agosto 16 228 13,00Sept. 15 258 12,16Oct. 15 288 11,29Nov. 14 318 10,56Dic. 10 344 10,21

Tabla 2.8 Datos de geometría solar insolacion para le plano horizontal mensual.

El ángulo horario de puesta y salida del sol para los planos con inclinación S1,S2 yS3 , según la ecuación 1.12, resultan:

PREFERENCIA ANUAL (S1): 28,63166 gradosPREFERENCIA INVIERNO (S2): 42,94749 gradosPREFERENCIA VERANO (S3): 14,31583 grados

DIA No. DEL DECLINACION W W W

MES PROM. DIA (n) SOLAR S1 S2 S3Enero 17 17 -20,91683 90 95,59718 84,40282Febrero 16 47 -12,95435 90 93,36528 86,63472Marzo 16 75 -2,41740 90 90,61728 89,38272Abril 15 105 9,41523 90 87,57473 92,42527Mayo 15 135 18,79215 90 85,01844 94,98156Junio 11 162 23,08598 90 83,75533 96,24467Julio 17 198 21,18350 90 84,32431 95,67569Agosto 16 228 13,45456 90 86,49980 93,50020Sept. 15 258 2,21638 90 89,43411 90,56589Oct. 15 288 -9,59989 90 92,47376 87,52624Nov. 14 318 -18,91229 90 95,01592 84,98408Dic. 10 344 -23,04974 90 96,23368 83,76632

Tabla 2.9 Datos de geometría solar ángulo horario planos inclinados S1,S2 y S3 mensual.

55

Los datos de radiación global en el plano horizontal diaria promedio mensual sonobtenidas de NASA Surface meteorology and Solar Energy , Tabla 1.2 y 2.1.

DIA No. DEL MJ /M2

MES PROM. DIA (n) H G,H,d

Enero 17 17 4,03Febrero 16 47 4,94Marzo 16 75 6,35Abril 15 105 7,14Mayo 15 135 7,44Junio 11 162 6,73Julio 17 198 6,02Agosto 16 228 5,74Sept. 15 258 5,50Oct. 15 288 5,12Nov. 14 318 4,36Dic. 10 344 3,74

Tabla 2.10 Datos de geometría solar obtenidas de NASA Surface meteorology and Solar Energy.

Ahora se obtiene la radiación extraterrestre en el plano horizontal con la ecuación1.21

DIA No. DEL MJ /M2 MJ /M3

MES PROM. DIA (n) H G,H,d H O

Enero 17 17 4,03 22,07Febrero 16 47 4,94 26,66Marzo 16 75 6,35 32,07Abril 15 105 7,14 37,03Mayo 15 135 7,44 39,97Junio 11 162 6,73 40,97Julio 17 198 6,02 40,36

Agosto 16 228 5,74 38,04Sept. 15 258 5,50 33,77Oct. 15 288 5,12 28,18Nov. 14 318 4,36 23,11Dic. 10 344 3,74 20,73

Tabla 2.11 Datos de geometría solar radiación radiación extraterrestre en el plano horizontalmensual.

56

Aplicando los datos de radiación global y extraterrestre promedio diaria mensualobtenemos el Factor de claridad Kt, ecuación 1.22.

DIA No. DEL MJ /M2 MJ /M3FACTOR DE

MES PROM. DIA (n) H G,H,d H O CLARIDAD(Kt)

Enero 17 17 4,03 22,07 0,18259834Febrero 16 47 4,94 26,66 0,1852809Marzo 16 75 6,35 32,07 0,1979833Abril 15 105 7,14 37,03 0,19283053Mayo 15 135 7,44 39,97 0,18612916Junio 11 162 6,73 40,97 0,1642757Julio 17 198 6,02 40,36 0,1491648Agosto 16 228 5,74 38,04 0,15089487Sept. 15 258 5,50 33,77 0,16284774Oct. 15 288 5,12 28,18 0,18169136Nov. 14 318 4,36 23,11 0,1886868Dic. 10 344 3,74 20,73 0,18043304

Tabla 2.12 Datos de geometría solar Factor de claridad Kt mensual.

Los resultados de la relación Difusa/Global (Liu Jordan) ecuación 1.26 semuestran en la tabla 2.13.

DIA No. DEL MJ /M2 MJ /M3 FACTOR DE DIFUSA/GLOBAL

MES PROM. DIA (n) H G,H,d H O CLARIDAD(Kt) Hd,H,d / HG,H,d

Enero 17 17 4,03 22,07 0,18259834 0,820170Febrero 16 47 4,94 26,66 0,1852809 0,813979Marzo 16 75 6,35 32,07 0,1979833 0,785403Abril 15 105 7,14 37,03 0,19283053 0,796849Mayo 15 135 7,44 39,97 0,18612916 0,812033Junio 11 162 6,73 40,97 0,1642757 0,863946Julio 17 198 6,02 40,36 0,1491648 0,902064Agosto 16 228 5,74 38,04 0,15089487 0,897605Sept. 15 258 5,50 33,77 0,16284774 0,867469Oct. 15 288 5,12 28,18 0,18169136 0,822275Nov. 14 318 4,36 23,11 0,1886868 0,806198Dic. 10 344 3,74 20,73 0,18043304 0,825207

Tabla 2.13 Datos de geometría solar relación de radiacion difusa contra radiacion globalpromedio mensual.

57

La relación Rb para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 ecuación 1.24.

DIA No. DEL MJ /M2 Rb=Hb,I,d /Hb,H,d Rb Rb

MES PROM. DIA (n) H G,H,d S1 S2 S3Enero 17 17 4,03 1,60532 1,76653 1,34441Febrero 16 47 4,94 1,39434 1,46655 1,23554Marzo 16 75 6,35 1,18147 1,16388 1,12569Abril 15 105 7,14 0,99391 0,89989 1,02792Mayo 15 135 7,44 0,87030 0,73143 0,96148Junio 11 162 6,73 0,81805 0,66191 0,93277Julio 17 198 6,02 0,84095 0,69224 0,94540Agosto 16 228 5,74 0,93871 0,82403 0,99849Sept. 15 258 5,50 1,10248 1,05173 1,08487Oct. 15 288 5,12 1,32032 1,36130 1,19734Nov. 14 318 4,36 1,54644 1,68281 1,31402Dic. 10 344 3,74 1,67340 1,86334 1,37954

Tabla 2.14 Datos de geometría solar relación Rb para las tres inclinaciones S1,S2 y S3mensual.

Relación Rd para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 ecuación 1.26.

DIA No. DEL MJ /M2 Rd=Hd,I,d /Hd,H,d Rd Rd

MES PROM. DIA (n) H G,H,d S1 S2 S3Enero 17 17 4,03 0,93886 0,86599 0,98447Febrero 16 47 4,94 0,93886 0,86599 0,98447Marzo 16 75 6,35 0,93886 0,86599 0,98447Abril 15 105 7,14 0,93886 0,86599 0,98447Mayo 15 135 7,44 0,93886 0,86599 0,98447Junio 11 162 6,73 0,93886 0,86599 0,98447Julio 17 198 6,02 0,93886 0,86599 0,98447Agosto 16 228 5,74 0,93886 0,86599 0,98447Sept. 15 258 5,50 0,93886 0,86599 0,98447Oct. 15 288 5,12 0,93886 0,86599 0,98447Nov. 14 318 4,36 0,93886 0,86599 0,98447Dic. 10 344 3,74 0,93886 0,86599 0,98447

Tabla 2.15 Datos de geometría solar relación Rd para las tres inclinaciones S1,S2 y S3mensual.

58

Relación Rp que es igual a Rref para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 ecuación1.27.

DIANo.DEL MJ /M2 Rref=Href,C /

HG,H,d Rref Rref

MES PROM.DIA(n) H G,H,d S1 S2 S3


Tabla 2.16 Datos de geometría solar relación Rp para las tres inclinaciones S1,S2 y S3mensual.

Relación R para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 ecuación 1.13

DIANo.DEL

MJ/M2 R=HG,I,d /

HG,H,d R R

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d S1 S2 S3


Tabla 2.17 Datos de geometría solar relación R para las tres inclinaciones S1,S2 y S3 mensual.

59

Radiación difusa Hd,H,d, plano horizontal ecuación 1.29

DIANo.DEL

MJ/M2 DIFUSA DIRECTA GLOBAL

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d Hd,H,d Hb.H,d HG,H,d


Tabla 2.18 Datos de geometría solar radiacion difusa mensual.

Radiación directa Hb,H,d en el plano horizontal S1,S2 y S3 ecuación 1.30.

DIANo.DEL

MJ/M2

MJ/M3 Hb,I,d Hb,I,d Hb,I,d

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d H O S1 S2 S3

Enero 17 17 4,03 22,07 1,163 1,280 0,974Febrero 16 47 4,94 26,66 1,281 1,348 1,135Marzo 16 75 6,35 32,07 1,610 1,586 1,534Abril 15 105 7,14 37,03 1,442 1,305 1,491Mayo 15 135 7,44 39,97 1,217 1,023 1,345Junio 11 162 6,73 40,97 0,749 0,606 0,854Julio 17 198 6,02 40,36 0,496 0,408 0,557Agosto 16 228 5,74 38,04 0,552 0,484 0,587Sept. 15 258 5,50 33,77 0,804 0,767 0,791Oct. 15 288 5,12 28,18 1,201 1,239 1,090Nov. 14 318 4,36 23,11 1,307 1,422 1,110Dic. 10 344 3,74 20,73 1,094 1,218 0,902

Tabla 2.19 Datos de geometría solar radiacion directa mensual.

60

Radiación directa en el plano inclinado Hb,I,d, en las tres inclinaciones S1,S2 y S3ecuación 1.31.

DIANo.DEL

MJ/M2 Hb,I,d Hb,I,d Hb,I,d

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d S1 S2 S3


Tabla 2.20 Datos de geometría solar radiacion directa mensual.

Radiación difusa en el plano inclinado Hd,I,d, en las tres inclinaciones S1,S2 y S3ecuación 1.32.

DIANo.DEL

MJ/M2 Hd,I,d Hd,I,d Hd,I,d

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d S1 S2 S3


Tabla 2.21 Datos de geometría solar radiacion difusa en el plano inclinado Hd,I,d Para las tresinclinaciones S1,S2 y S3 mensual.

61

Radiación reflejada por el suelo hacia el plano inclinado Hp,c, en las tresinclinaciones S1,S2 y S3 ecuación 1.33.

DIANo.DEL

MJ/M2 Href,C Href,C Href,C

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d S1 S2 S3


Tabla 2.22 Datos de geometría solar radiación reflejada por el suelo hacia el plano inclinado paralas tres inclinaciones S1,S2 y S3 mensual.

Radiación global en el plano inclinado HG,I,d, en las tres inclinaciones S1,S2 y S3ecuación 1.34.

DIANo.DEL

MJ/M2 HG,I,d HG,I,d HG,I,d

MES PROM.DIA(n)

HG,H,d S1 S2 S3


Tabla 2.23 Datos de geometría solar radiacion global en el plano inclinado Hd,I,d Para las tresinclinaciones S1,S2 y S3 mensual.

62

Figura 2.2 Radiación solar global diaria para la ciudad de Chihuahua,Chih.

Figura 2.3 Radiación solar global diaria para los planos inclinaciones S1,S2 y S3 de la ciudad deChihuahua,Chih.

18,82 18,3919,51 20,34

23,2824,89 24,19

21,7523,39 22,88

20,0618,06

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Oct. Nov. Dic.

Irra

diac

ion

Gl o

bal

(MJ/

M2

dia)

Meses

IRRADIACION GLOBAL DIARIA( Plano Inclinado Orientado Hacia el Sur.)

CIUDAD DE CHIHUAHUA.

H G,H,d H O S1 S2 S3

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00


Irra

diac

ión

(=)

MJ

/ m2m

es.

Meses.

IRRADIACION GLOBAL MENSUAL PARA LOS DIFERENTES PLANOS.CIUDAD DE CHIHUAHUA.

S1

S2

S3

P.HORIZ.

63

Figura 2.4 Parametros solares de la ciudad de Chihuahua,Chih.

Figura 2.5 Horas de insolacion para los diferentes planos inclinados de la ciudad de Chihuahua,Chih.

40,45

48,41

58,95

70,78

80,1684,45 82,55

74,82

63,58

51,77

42,4638,32

77,9682,79

88,68

95,19100,71

103,46 102,2197,50

91,21

84,7079,22

76,57

6,80 6,48 6,09 5,65 5,29 5,10 5,19 5,50 5,92 6,35 6,72 6,9010,39 11,04 11,82 12,69 13,43 13,79 13,63 13,00 12,16 11,29 10,56 10,21

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00


Para

me

tros

Meses

PARAMETROS SOLARESDE LA CIUDAD DE CHIHUAHUA

A.SOLAR(W=0)

WS

H.S.DEL S. (TSV)

INSOL.(plano H.)

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00


Hora

s.

Meses.

HORAS DE INSOLACIÓN PARA LOS DIFERENTES PLANOS.CIUDAD DE CHIIHUAHUA

INSOL.(plano H.)

INSOL. (para S1)

INSOL. (para S2)

INSOL. (para S3)

64

Figura 2.6 Componentes de la irradiación solar en el plano horizontal de la ciudad deChihuahua,Chih.

Figura 2.7 Componentes de la irradiación solar para el plano inclinado S1.


Hd,H,d

Hb.H,d

HG,H,d0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

EneroMarzo

MayoJulio

Sept.Nov.

3,515 4,727 5,808 6,775 7,047 6,912 6,938 6,8395,603

4,2173,510 3,299

11,38511,07312,19213,225

16,90319,288

18,262

14,96116,397

15,583

12,590

10,701

14,90015,80018,000

20,000

23,95026,200

25,200

21,800 22,000

19,800

16,100

14,000

Irra

diac

ion

(MJ/

M2DI

A)

Meses.

COMPONENTES DE LA IRRADIACION SOLAREN EL PLANO HORIZONTAL

CIUDAD DE CHIHUAHUA

Hd,H,d

Hb.H,d

HG,H,d

Href ,C S1

Hd,I,d S1

Hb,I,d S1

HG,I,d S1

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

EneroMarzo

MayoJulio

Sept.Nov.

HG,I,d S1

Irra

diac

ion

(MJ/

M2DI

A)

Meses

COMPONENTES DE LA IRRADIACION SOLAREN EL PLANO INCLINADO (S1)

CIUDAD DE CHIHUAHUA

Href,C S1

Hd,I,d S1

Hb,I,d S1

HG,I,d S1

Href ,C S2

Hd,I,d S2

Hb,I,d S2

HG,I,d S2

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

Enero Marzo Mayo Julio Sept. Nov.

Irra

diac

ion

(MJ/

M2DI

A).

Meses

COMPONENTES DE LA IRRADIACION SOLAREN EL PLANO INCLINADO (S2)

CIUDAD DE CHIHUAHUA

Href,C S2

Hd,I,d S2

Hb,I,d S2

HG,I,d S2

65


En base a los resultados obtenidos por el estudio de disponibilidad solar, enespecifico de gometria solar,muestra claramente que el numero de horas deinsolacion para los diferentes planos inclinados de la ciudad de Chihuahua, Chih.Figura 2.5 y tabla 2.24 ,de lo anterior se deduce que el numero de horas promediopara un año completo son 13.79 hrs máximo al dia, y 10.209 hrs mínimo, estenumero de horas es vital para hacer simulaciones de captación de radiacion solaracumulada y de conversion a energia fotovoltaica por día, mes y año.

HORAS DE W W WINSOL.(plano

H.) S1 S2 S3 MES10,39 90 95,59718 84,40282 Enero11,04 90 93,36528 86,63472 Febrero11,82 90 90,61728 89,38272 Marzo12,69 90 87,57473 92,42527 Abril13,43 90 85,01844 94,98156 Mayo13,79 90 83,75533 96,24467 Junio13,63 90 84,32431 95,67569 Julio13,00 90 86,49980 93,50020 Agosto12,16 90 89,43411 90,56589 Sept.11,29 90 92,47376 87,52624 Oct.10,56 90 95,01592 84,98408 Nov.10,21 90 96,23368 83,76632 Dic.

144,0262597 1080 1079,91 1080,09 SUMA:10,20903614 90 83,75533 83,76632 MIN.13,79416879 90 96,23368 96,24467 MAX.12,00218831 90 89,99248 90,00752 PROM.:

Tabla 2.24 Datos de geometría para las horas de sol totales al año.

Href,C S3

Hd,I,d S3

Hb,I,d S3HG,I,d S3

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

EneroMarzo Mayo

JulioSept.

Nov.

18,8218,39

19,5120,34

23,2824,89

24,19

21,7523,39 22,88

20,06

18,06

Irra

diac

ion

(MJ /

M2D

IA).

Meses.

Figura 19. Componentes de la irradiación solar en el planoinclinado de máxima captación en verano (S3)

Ciudad de Chihuahua

66

RESULTADOS ANÁLISIS DE DISPONIBILIDAD PROMEDIODIARIO MENSUAL.REFLEJADA POR ELSUELO GLOBAL DIARIA

Href,C Href,C Href,C HG,I,d HG,I,d HG,I,d

S1 S2 S3 S1 S2 S3 MES0,219 0,479 0,056 21,80 23,64 18,82 Enero0,232 0,508 0,059 20,11 20,84 18,39 Febrero0,264 0,579 0,067 20,12 19,80 19,51 Marzo0,293 0,643 0,075 19,80 18,41 20,34 Abril0,351 0,770 0,089 21,68 19,24 23,28 Mayo0,384 0,843 0,098 22,65 19,60 24,89 Junio0,370 0,810 0,094 22,24 19,46 24,19 Julio0,320 0,701 0,081 20,78 18,95 21,75 Agosto0,323 0,708 0,082 23,66 22,80 23,39 Sept.0,291 0,637 0,074 24,82 25,50 22,88 Oct.0,236 0,518 0,060 23,00 24,74 20,06 Nov.0,205 0,450 0,052 21,21 23,25 18,06 Dic.

3,489 7,647 0,886 261,88 256,23 255,57 SUMA:0,205 0,450 0,052 19,80 18,41 18,06 MIN.0,384 0,843 0,098 24,82 25,50 24,89 MAX.0,291 0,637 0,074 21,82 21,35 21,30 PROM.:

GLOBAL MENSUAL MENSUAL

HG,I,m HG,I,m HG,I,m H G, H, m

S1 S2 S3 P.HORIZ. MES675,66 732,70 583,49 461,90 Enero563,07 583,55 515,02 442,40 Febrero623,77 613,76 604,79 558,00 Marzo593,96 552,34 610,16 600,00 Abril672,03 596,33 721,64 742,45 Mayo679,57 587,86 746,81 786,00 Junio689,47 603,27 749,86 781,20 Julio644,33 587,51 674,32 675,80 Agosto709,82 684,15 701,60 660,00 Sept.769,55 790,55 709,39 613,80 Oct.690,04 742,33 601,77 483,00 Nov.657,50 720,65 559,93 434,00 Dic.

Anual: MJ / m2

7968,77 7794,99 7778,78 7238,55 SUMA:563,07 552,34 515,02 434,00 MIN.769,55 790,55 749,86 786,00 MAX.664,06 649,58 648,23 603,21 PROM.:

Tabla 2.25 Resultados del analisis de disponibilidad solar de las tres radiaciones reflejada globaly mensual en Chihuahua, Chih.

67

2.2 Resultados del estudio de simulación de curvascaracterísticas de paneles fotovoltaicos

Con fundamento en los resultados en los datos de radiación obtenidos en el punto2.1, trabajamos el estudios de resultados del simulador de sistemas de panelesfotovoltaicos bajo condiciones STC en un sistema de modelado matemático enMatlab Simulink y LabView bajo condiciones reales de irradiancia y temperaturavariables, focalizando el estudio con base a los parámetros de operación del panelfotovoltaico marca Yingli Solar de 80W y 36 celdas en conexión serie, enanteriores capítulos mencionado, y se obtuvieron los siguientes resultados ensimulación por software repetibles y comprobables:

1.- Programa en Simulink de simulación de celda fotovoltaica. Se genera undiagrama de bloques en Simulink, correspondiente al diseño de una celda FVbásica considerando el diodo paso, bajo ambientes de irradiancia y temperaturavariables, por medio de la función Under mask de Simulink.

Figura 2.10 Diagrama de bloques under mask en simulink de una celda basica fotovoltaica.

Figura 2.11 Diagrama de bloques en simulink de una celda basica fotovoltaica.

68

2.- En la interfaz de parametrizacion se configuran los puntos de operaciónIsc,Voc, Im,Vm, del panel fotovoltaico que se desea evaluar en este caso el panelFV Yingli solar. Las curvas caracteristicas del panel fotovoltaico se aprecian acontinuación demostrando que la potencia de 80w se alcanza, así como lasditintos niveles de irradiacion son graficados tambien. Se aclara puntualmente queel sistema programable no esta diseñado para trabajasr bajo distintos niveles detemperartura, lo cual se corregirá en los siguientes paso.

Figura 2.12 Interfaz de parametrizacion diseñado.

Figura 2.13 Curvas I-V y P-V caracteristicas para un panel de 80 w.

Parametros eléctricos

Modulo tipo 80(17)PR1172×541Celdas tipo Policrstalino silicioNo. of Celdas en conexión 36 in seriesMáxima Potencia (Pm) 80W±3%Voltaje Máxima Potencia (Vpm) 17.5VCorrientes Máxima Potencia (Ipm) 4.6AVoltaje de circuito abierto (Voc) 22.0VCorriente de corto circuito (Isc) 5.0AEficiencia del modulo 12.6%Eficiencia de la celda 14.7%

Tabla 2.26 Características para un panel Yingli Solar de 80 w 36 celdas.

69

3.- El diseño fue mejorado en la interfaz Simulink con más prestaciones sensiblea la temperatura e irradiancia variables, en condiciones STC, se parametriza enlos puntos de operación como se muestra en la figura 2.15, reiteradamente elpanel fotovoltaico que se desea evaluar es Yingli solar de 80w. Las curvascaracteristicas del panel fotovoltaico se visualizan en la figura 2.16.

Figura 2.14 Parametrización del sistema de modelado de curvas caracteristicas FV.

4 .- La a nueva interfaz diseñada puede ser configurada bajo distintos esenariosde temperatura con tan sólo parametrizar estos en los puntos de operación delpanel del fotovoltaico. Es util aclarar que se programó en Matscrip editor,lasecuencia de simulación de parametros de irradiancia y temperatura variables,dentro del bloque de función PV_PANEL Function.

Figura 2.15 Sistema under mask dentro de la función PV_PANEL Function.

69





69





70

5.- Las nuevas curvas generadas por el sistema de modelado FV se comparancontra los valores de la tabla 2.25 y se observa que a 20 oC el modulo produce 80w y al incrementar la temperatura de trabajo a 47 oC la potencia decrece a 74 w.

Figura 2.16 Curvas características del sistema de modelado FV.

6.- Programa Matscrip exportado a diagrama de bloque de Labview.

Figura 2.17 Programa Matscrip exportado a LabView.

71

7.- Panel de control del sistema de simulacion de paneles FV.

Figura 2.18 Panel de control del sistema de simulacion de paneles FV.

8.- La comprobacion final de sistema simulado contra el programa de simulacióndel equipos de potencia PSIM con los parametros del panel Yingli solar 80w.

Figura 2.19 Sistema PSIM para comprobación por medio del Solar Module.

72

2.3 Resultados del estudio de generación de curvascaracterísticas de paneles fotovoltaicos

Con apoyo en los resultados en los datos de radiación obtenidos en el punto 2.1,trabajamos el estudios de resultados del generador de sistemas de panelesfotovoltaicos bajo condiciones STC en un sistema que emplea una tarjeta deadquisición de datos de alta velocidad NIDAQ 6008 USB para enviar datos a lainterfaz HMI en LabView en la computadora personal, y la generación del barridode la curva I-V es controlado mediante una rampa de corriente producida pormodulación PWM en el controlador DSP, el controlador permite realizar el barridocompleto del ciclo de trabajo PWM a 14.4 khz (desde 0% hasta 100% del ciclo detrabajo e inversamente). Donde es posible alterar las frecuencias e intervalos deduración del incremento y decremento del ciclo en la programación del DSP. Verfigura 2.20 y 2.21

Figura 2.20 Ciclo de trabajo 10% a 30% del generador de curvas caracteristicas FV.

Figura 2.21 Ciclo de trabajo 70% a 90% del generador de curvas características FV.

73

Reiteradamente las condiciones reales de irradiancia y temperatura variablesfocalizado el estudio tomado los parámetros de operación del panel fotovoltaicomarca Yingli Solar 80w, obtuvimos los siguientes resultados en generación decurvas características.

Figura 2.22 Gráficas generadas en el sistema HMI LabView correspondientes al modulo Yinglisolar 80 w.

Figura 2.23 Gráfica del punto de Máxima potencia encontrado MPPT.

74

El trazado de curvas obervado en la figura 2.24 corresponde a la tabla 2.25,parametros electricos del panel Yingli solar de 80w, permitiendo concluir el estudioaclarando que el sistema detecta el punto de máxima potencia solar del panelfotovoltaico al termino del barrido del ciclo de trabajo, resultado observable en lafigura 2.24.

Figura 2.24 Sistema de generación prototipo de curvas características FV.

Es imperativo reiterar que el sistema mostrado utiliza MOSFET´s de potencia IRF1010N de 85 amp.,en condiciones de laboratorio, lo cual indica que este MOSFETen realidad bajo condiones de trabajo soportará un 30% de la corriente mostrada,por ello es preciso tomar las consideraciones necesarias, en caso de que serequeira de mayor potencia disipada , es decir mayor amperaje de trabajo parapaneles fotovoltaicos de alta potencia.

75

CAPÍTULO III

CONCLUSIONES

Esta investigación aplicada utilizó el modelo matemático de la celda fotovoltaico,para estimar el comportamiento bajo condiciones de irradiancia (G) y temperaturavariables en un programa de instrumentación virtual. Por medio de ecuación deShockley que describe la relación entre la voltaje (V) y la corriente (I)proporcionada por una celda fotovoltaica. Diseñándose un sistema de modeladomatemático Matlab Simulink y programación con instrumentos Virtuales enLabView en el cual se comprobó con PSIM la simulación propuesta contra unasimulación real de un paneles fotovoltaicos Yingli solar 80w, utilizando losparámetros funcionales de referencia, pruebas estándar de laboratorio STC, y lascondiciones de operaciones de trabajo bajo temperaturas e irradiancia variables.El modelo fue implementado en Matlab Scrip para LabVIEW, permitiendocaracterizar las variables fundamentales de un panel fotovoltaico (FV) abriendo laoportunidad para evaluar distintas marcas comerciales de paneles, obteniendocomo resultado las curvas características de operación I-V y P-V, evaluando en lasimulación la eficiencia y el factor de forma del panel FV.

El modelo de carga electrónica para trazado de curvas características secomprobó en laboratorio con una tarjeta de potencia que se utilizó como cargaelectrónica variables a los paneles fotovoltaicos, el barridos de señal se manejópor una interfaz virtual en LabVIEW y un controlador DSPic30f2020, la cargaelectrónica se constituyó por varios transistores MOSFET’s en paralelo, paralogar reducir gradualmente la corriente de drenaje a fuente fué requerido unsistema de modulación por ancho de pulso PWM, el cual se aplicó directamente ala compuerta de los MOSFET´s, dicho sistema logró por medio de un procesadordigital de señales DSP, previamente programado para generar una señal con unciclo de trabajo desde 0% a 100% del ciclo de trabajo, generando una excursióndel punto de trazado de la curva permitiendo visualizado de la señal ycomprobando experimentalmente las curvas caracterizar de operación de panelfotovoltaico para la marca comercial Yingli Solar 80 w.

76

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Secretaria de energía SENER/ GIZ, Programa de Fomento de SistemasFotovoltaicos en México (ProSolar), México, D.F., Julio de 2012. Disponible en:http://www.anes.org/anes/formularios/LeyesyNormas/Leyes/informe_final_ProSolar_Color.pdf

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POSGRADO · 2018-10-26 · Figura 1.18 Generación curvas del panel fotovoltaico por carga electrónica. 45 Figura 1.19 Sistema de caracterización de paneles fotovoltaicos. 47 Figura